V září 2011 šokoval svět fyzik Antonio Ereditato. Jeho prohlášení by mohlo obrátit naše chápání vesmíru vzhůru nohama. Pokud byly údaje shromážděné 160 vědci OPERA správné, bylo pozorováno neuvěřitelné. Částice - v tomto případě neutrina - se pohybovaly rychleji než světlo. Podle Einsteinovy teorie relativity je to nemožné. A důsledky takového pozorování by byly neuvěřitelné. Možná by bylo nutné revidovat samotné základy fyziky.
Zatímco Ereditato říkal, že on a jeho tým byli „velmi jistí“ve své výsledky, neřekli, že data jsou dokonale přesná. Naopak, požádali ostatní vědce, aby jim pomohli zjistit, co se děje.
Nakonec se ukázalo, že výsledky OPERA byly špatné. Špatně připojený kabel způsobil synchronizační problém a signály ze satelitů GPS byly nepřesné. V signálu bylo neočekávané zpoždění. Výsledkem bylo, že měření času potřebného k tomu, aby neutrina uběhla určitou vzdálenost, ukázalo dalších 73 nanosekund: zdálo se, že neutrina létala rychleji než světlo.
Přes měsíce kontroly před zahájením experimentu a následnou opětovnou kontrolou údajů se vědci vážně mýlili. Ereditato rezignoval, na rozdíl od mnoha, že k takovým chybám vždy došlo v důsledku extrémní složitosti zařízení urychlovačů částic.
Proč předpoklad - jen předpoklad -, že se něco může pohybovat rychleji než světlo, způsobuje takový hluk? Jak jsme přesvědčeni, že tuto bariéru nemůže překonat nic?
Podívejme se nejprve na druhou z těchto otázek. Rychlost světla ve vakuu je 299 792 458 kilometrů za sekundu - pro větší pohodlí je toto číslo zaokrouhleno až na 300 000 kilometrů za sekundu. Je to docela rychlé. Slunce je 150 milionů kilometrů od Země a světlo z něj dosáhne Země za pouhých osm minut a dvacet sekund.
Může některé z našich výtvorů soutěžit v závodě proti světlu? Kosmická sonda New Horizons, jeden z nejrychleji vytvořených umělých objektů, který kdy byl postaven, v červenci 2015 vybuchla kolem Pluta a Charona. Dosáhl rychlosti vzhledem k Zemi 16 km / s. Mnohem méně než 300 000 km / s.
Měli jsme však malé částice, které se pohybovaly velmi rychle. Na začátku šedesátých let experimentoval William Bertozzi na Massachusetts Institute of Technology s urychlujícími se elektrony na ještě vyšší rychlosti.
Propagační video:
Protože elektrony mají záporný náboj, lze je urychlit - přesněji odrazit - použitím stejného záporného náboje na materiál. Čím více energie je aplikováno, tím rychleji se elektrony zrychlují.
Člověk by si myslel, že potřebujete pouze zvýšit spotřebovanou energii, aby zrychlil na rychlost 300 000 km / s. Ukazuje se však, že elektrony se nemohou tak rychle pohybovat. Bertozziho experimenty ukázaly, že použití více energie nevede k přímo úměrnému zvýšení rychlosti elektronů.
Místo toho muselo být aplikováno obrovské množství další energie, aby se rychlost elektronů změnila dokonce nepatrně. Blížilo se a přibližovalo se rychlosti světla, ale nikdy k ní nedorazilo.
Představte si chůzi směrem ke dveřím v malých krocích, z nichž každý cestuje po polovině vzdálenosti od vaší aktuální polohy ke dveřím. Přesně řečeno, nikdy se nedostanete ke dveřím, protože po každém kroku budete mít vzdálenost, kterou musíte překonat. Bertozzi čelil zhruba tomuto problému, když jednal se svými elektrony.
Světlo se však skládá z částic zvaných fotony. Proč se tyto částice mohou pohybovat rychlostí světla, ale elektrony nemohou?
"Jak se objekty pohybují rychleji a rychleji, jsou těžší - čím těžší jsou, tím těžší je zrychlit, takže se nikdy nedostanete na rychlost světla," říká Roger Rassoul, fyzik na australské univerzitě v Melbourne. "Foton nemá hmotnost." Kdyby měl hmotu, nemohl by se pohybovat rychlostí světla. “
Fotony jsou speciální. Nejenže jim chybí masa, která jim poskytuje úplnou svobodu pohybu ve vakuu vesmíru, ale také nemusí zrychlovat. Přirozená energie, kterou mají k dispozici, se ve vlnách pohybuje stejně jako oni, takže v době svého vytvoření již mají maximální rychlost. V jistém smyslu je snazší myslet na světlo spíše na energii než na proud částic, i když ve skutečnosti je světlo obojí.
Světlo však cestuje mnohem pomaleji, než bychom očekávali. Zatímco internetoví technici rádi mluví o komunikacích, které fungují při „rychlosti světla“ve vlákně, světlo prochází ve skle tohoto vlákna o 40% pomaleji než ve vakuu.
Ve skutečnosti se fotony pohybují rychlostí 300 000 km / s, ale naráží na určité rušení, rušení způsobené jinými fotony, které jsou emitovány skleněnými atomy, když prochází hlavní světelná vlna. To nemusí být snadno pochopitelné, ale alespoň jsme to zkusili.
Stejně tak bylo možné v rámci speciálních experimentů s jednotlivými fotony poměrně působivě zpomalit. Ve většině případů však bude platný počet 300 000. Neviděli jsme ani nevytvořili nic, co by se mohlo pohybovat tak rychle, nebo dokonce rychleji. Existují zvláštní body, ale než se jich dotkneme, dotkneme se naší další otázky. Proč je tak důležité, aby bylo přísně dodržováno pravidlo rychlosti světla?
Odpověď souvisí s mužem jménem Albert Einstein, jak je tomu ve fyzice často. Jeho speciální teorie relativity zkoumá mnoho důsledků jeho univerzálních rychlostních limitů. Jedním z nejdůležitějších prvků teorie je myšlenka, že rychlost světla je konstantní. Bez ohledu na to, kde jste nebo jak rychle se pohybujete, světlo se vždy pohybuje stejnou rychlostí.
Má to však několik koncepčních problémů.
Představte si světlo padající z baterky na zrcadlo na stropě stacionární kosmické lodi. Světlo stoupá, odráží se od zrcadla a dopadá na podlahu kosmické lodi. Řekněme, že překonal vzdálenost 10 metrů.
Nyní si představte, že se tato kosmická loď začne pohybovat kolosální rychlostí tisíce kilometrů za sekundu. Když zapnete baterku, světlo se chová jako předtím: svítí vzhůru, zasáhne zrcadlo a odráží se na podlaze. Aby to však bylo možné, musí světlo projít úhlopříčnou, nikoli vertikální. Koneckonců, zrcadlo se nyní rychle pohybuje s kosmickou lodí.
V důsledku toho se vzdálenost, kterou světlo prochází, zvětšuje. Řekněme 5 metrů. Ukázalo se celkem 15 metrů, ne 10.
Přes to, ačkoli vzdálenost se zvětšila, Einsteinovy teorie tvrdí, že světlo se bude stále pohybovat stejnou rychlostí. Protože rychlost je vzdálenost dělená časem, protože rychlost zůstává stejná a vzdálenost se zvyšuje, musí se také zvyšovat čas. Ano, čas se musí natáhnout. Ačkoli to zní zvláštně, bylo to experimentálně potvrzeno.
Tento jev se nazývá dilatace času. Čas se pohybuje pomaleji u lidí, kteří se pohybují v rychle se pohybujících vozidlech, ve srovnání s těmi, kteří stojí.
Například čas u astronautů na Mezinárodní vesmírné stanici uběhne o 0,007 sekundy pomaleji, který se ve srovnání s lidmi na planetě pohybuje rychlostí 7,66 km / s vzhledem k Zemi. Ještě zajímavější je situace s částicemi, jako jsou výše uvedené elektrony, které se mohou pohybovat blízko rychlosti světla. V případě těchto částic bude stupeň zpomalení obrovský.
Stephen Colthammer, experimentální fyzik na Oxfordské univerzitě ve Velké Británii, poukazuje na příklad částic nazývaných miony.
Muony jsou nestabilní: rychle se rozpadají na jednodušší částice. Tak rychle, že většina mionů opouštějících Slunce by se měla rozpadnout v době, kdy dorazí na Zemi. Ve skutečnosti ale miony přicházejí na Zemi ze Slunce v obrovských objemech. Fyzici se dlouho snažili přijít na to, proč.
"Odpověď na toto tajemství je, že miony jsou vytvářeny s takovou energií, že se pohybují rychlostí blízkou světlu," říká Kolthammer. "Jejich smysl pro čas, jejich vnitřní hodiny běží pomalu."
Muony „přežijí“déle, než se očekávalo vzhledem k nám, díky současné přirozené křivosti času. Když se objekty rychle pohybují relativně k jiným objektům, jejich délka se také zmenšuje, zkracuje se. Tyto důsledky, dilatace času a zkrácení délky, jsou příklady toho, jak se časoprostor mění v závislosti na pohybu věcí - mě, vy nebo kosmické lodi - s hmotou.
Co je důležité, jak řekl Einstein, neovlivňuje světlo, protože nemá hmotu. Proto tyto zásady jdou ruku v ruce. Pokud by se objekty mohly pohybovat rychleji než světlo, dodržovaly by základní zákony, které popisují, jak vesmír funguje. To jsou klíčové principy. Nyní můžeme mluvit o několika výjimkách a výjimkách.
Na jedné straně, ačkoli jsme neviděli nic, co by se pohybovalo rychleji než světlo, neznamená to, že tento rychlostní limit nelze teoreticky porušit za velmi specifických podmínek. Vezměme si například expanzi samotného vesmíru. Galaxie ve vesmíru se pohybují od sebe rychleji mnohem rychleji než světlo.
Další zajímavá situace se týká částic, které sdílejí stejné vlastnosti současně, bez ohledu na to, jak daleko od sebe. Toto je tzv. „Kvantové zapletení“. Foton se bude otáčet nahoru a dolů náhodným výběrem ze dvou možných stavů, ale volba směru otáčení se bude přesně odrážet na jiném fotonu jinde, pokud budou zapletena.
Dva vědci, z nichž každý studuje svůj vlastní foton, získají stejný výsledek současně, rychleji, než by to dovolila rychlost světla.
V obou těchto příkladech je však důležité si uvědomit, že žádná informace nejezdí rychleji než rychlost světla mezi dvěma objekty. Můžeme spočítat expanzi vesmíru, ale nemůžeme pozorovat objekty rychleji než světlo v něm: zmizely z zorného pole.
Pokud jde o dva vědce s jejich fotony, přestože mohli dosáhnout stejného výsledku ve stejnou dobu, nemohli si o tom navzájem vědět rychleji, než světlo mezi nimi putuje.
"To pro nás nepředstavuje žádný problém, protože pokud dokážete vysílat signály rychleji než světlo, získáte bizarní paradoxy, podle kterých se informace mohou nějak vrátit zpět v čase," říká Kolthammer.
Existuje další možný způsob, jak technicky zrychlit cestování rychleji než na světlo: trhliny v časoprostoru, které by umožnily cestovateli vyhnout se pravidlům normálního cestování.
Gerald Cleaver z Baylor University v Texasu věří, že jednoho dne můžeme být schopni postavit kosmickou loď, která cestuje rychleji než světlo. Což se pohybuje skrz červí díru. Červí díry jsou smyčky v časoprostoru, které dokonale zapadají do Einsteinových teorií. Mohli by dovolit astronautovi skočit z jednoho konce vesmíru na druhý pomocí anomálie v časoprostoru, nějakou formou kosmické zkratky.
Objekt cestující červí dírkou nepřesáhne rychlost světla, ale mohl by teoreticky dosáhnout svého cíle rychleji než světlo cestující po „normální“cestě. Ale červí díry nemusí být vůbec přístupné pro vesmírné cestování. Mohl by existovat jiný způsob, jak aktivně zkreslit časoprostor a pohybovat se rychleji než 300 000 km / s vzhledem k někomu jinému?
Cleaver také prozkoumal myšlenku “Alcubierre motoru” navržený teoretickým fyzikem Miguel Alcubierre v roce 1994. Popisuje situaci, ve které se časoprostor stahuje před kosmickou loď, tlačí ji dopředu a rozpíná se za ní, také ji tlačí dopředu. „Ale pak,“říká Cleaver, „vyvstaly problémy: jak to udělat a kolik energie by bylo potřeba.“
V roce 2008 on a jeho postgraduální student Richard Aubosie vypočítali, kolik energie bude potřeba.
„Představili jsme si kosmickou loď 10m x 10m x 10m - 1 000 metrů krychlových - a vypočítali jsme, že množství energie potřebné k zahájení procesu bude ekvivalentní hmotnosti celého Jupiteru.“
Poté musí být energie neustále „nalita“, aby proces nekončil. Nikdo neví, jestli to bude vůbec možné, nebo jaké budou požadované technologie. "Nechci být citován po staletí jako předpovídat něco, co se nikdy nestane," říká Cleaver, "ale zatím nevidím řešení."
Takže cestování rychleji, než je rychlost světla, zůstává v tuto chvíli fantazií. Jediným způsobem, jak během života navštívit exoplanetu, je ponořit se do hluboce zavěšené animace. A přesto to není všechno špatné. Ve většině případů jsme mluvili o viditelném světle. Ale ve skutečnosti je světlo mnohem víc. Od rádiových vln a mikrovln, po viditelné světlo, ultrafialové záření, rentgenové paprsky a gama paprsky emitované atomy, které se rozkládají, jsou tyto krásné paprsky tvořeny stejnou věcí: fotony.
Rozdíl je v energii, což znamená ve vlnové délce. Tyto paprsky společně vytvářejí elektromagnetické spektrum. Skutečnost, že rádiové vlny například cestují rychlostí světla, je pro komunikaci neuvěřitelně užitečná.
Ve svém výzkumu Kolthammer vytváří obvod, který využívá fotony k přenosu signálů z jedné části obvodu do druhé, takže si zaslouží právo komentovat užitečnost neuvěřitelné rychlosti světla.
"Samotná skutečnost, že jsme například vybudovali infrastrukturu internetu, a předtím, rádio založené na světle, souvisí s lehkostí, se kterou ji můžeme přenášet," poznamenává. A dodává, že světlo působí jako komunikační síla vesmíru. Když se elektrony v mobilním telefonu začnou třást, fotony létají a způsobují také otřesy elektronů v jiném mobilním telefonu. Takto se rodí telefonní hovor. Chvění elektronů na slunci také emituje fotony - v obrovském množství - které samozřejmě vytvářejí světlo, které dává životu na Zemi teplo a, ehm, světlo.
Světlo je univerzální jazyk vesmíru. Jeho rychlost - 299 792,458 km / s - zůstává konstantní. Mezitím jsou prostor a čas kujné. Možná bychom neměli přemýšlet o tom, jak se pohybovat rychleji než světlo, ale jak se pohybovat rychleji tímto prostorem a tentokrát? Abych tak řekl, zraje u kořene?