Fyysikko Antonio Ereditato järkytti maailmaa syyskuussa 2011. Hänen lausuntonsa saattoi kääntää ymmärryksemme maailmankaikkeudesta ylösalaisin. Jos 160 OPERA-tutkijan keräämät tiedot olivat oikeita, uskomattomia havaittiin. Hiukkaset - tässä tapauksessa neutriinot - liikkuivat valoa nopeammin. Einsteinin suhteellisuusteorian mukaan tämä on mahdotonta. Ja tällaisen havainnon seuraukset olisivat uskomattomia. Ehkä fysiikan perusta olisi jouduttava tarkistamaan.
Vaikka Ereditato kertoi, että hän ja hänen tiiminsä olivat”erittäin varmoja” tuloksissaan, he eivät sanoneet, että tiedot olivat täysin tarkkoja. Päinvastoin, he pyysivät muita tutkijoita auttamaan heitä selvittämään, mitä tapahtuu.
Lopulta kävi ilmi, että OPERA-tulokset olivat vääriä. Huonosti kytketty kaapeli aiheutti synkronointiongelman ja GPS-satelliittien signaalit olivat epätarkkoja. Signaalissa tapahtui odottamaton viive. Seurauksena mittaukset, jotka kuluivat ajasta, jonka neutriinot olivat kuljaneet tietyn etäisyyden, osoittivat ylimääräiset 73 nanosekuntia: näytti siltä, että neutriinot lentävät valoa nopeammin.
Huolimatta kuukausien tarkastuksesta ennen kokeen aloittamista ja tietojen kaksinkertaista tarkistamista jälkikäteen, tutkijat olivat vakavasti väärässä. Ereditato erosi toisin kuin monien huomautusten mukaan tällaisia virheitä tapahtui aina hiukkaskiihdyttimien laitteen äärimmäisen monimutkaisuuden vuoksi.
Miksi oletus - vain oletus - että jokin voisi liikkua valoa nopeammin, aiheutti tällaisen melun? Kuinka varmoja olemme siitä, että mikään ei voi ylittää tätä estettä?
Katsotaanpa ensin toista näistä kysymyksistä. Valon nopeus tyhjiössä on 299 792 458 kilometriä sekunnissa - mukavuuden vuoksi tämä luku pyöristetään 300 000 kilometriin sekunnissa. Se on melko nopeaa. Aurinko on 150 miljoonan kilometrin päässä maapallosta ja maapallosta tuleva valo saavuttaa sen vain kahdeksassa minuutissa ja kaksikymmentä sekuntia.
Voiko joku luomuksemme kilpailla valoa vastaan? Yksi nopeimmista ihmisten luomista esineistä, joka on koskaan rakennettu, New Horizons-avaruuskoetin vilkkui Pluton ja Charonin ohi heinäkuussa 2015. Hän saavutti nopeuden maan suhteen 16 km / s. Paljon alle 300 000 km / s.
Meillä oli kuitenkin pieniä hiukkasia, jotka liikkuivat hyvin nopeasti. 1960-luvun alkupuolella William Bertozzi Massachusettsin teknillisessä instituutissa kokeili elektronien kiihdyttämistä vielä suuremmille nopeuksille.
Mainosvideo:
Koska elektroneilla on negatiivinen varaus, niitä voidaan kiihdyttää - tarkemmin sanoen työntää - lisäämällä sama negatiivinen varaus materiaaliin. Mitä enemmän energiaa käytetään, sitä nopeammin elektronit kiihtyvät.
Voisi ajatella, että sinun täytyy vain lisätä käytettyä energiaa kiihtyäksesi nopeuteen 300 000 km / s. Mutta osoittautuu, että elektronit eivät vain pysty liikkumaan niin nopeasti. Bertozzin kokeet osoittivat, että enemmän energian käyttäminen ei johda elektronien nopeuden suoraan verrannolliseen kasvuun.
Sen sijaan oli käytettävä valtavia määriä lisäenergiaa muuttaakseen elektronien nopeutta jopa hieman. Se oli tulossa lähemmäksi ja lähemmäksi valonopeutta, mutta se ei koskaan saavuttanut sitä.
Kuvittele, että kävelet kohti ovea pienillä askeleilla, joista jokainen kulkee puolet etäisyydestä nykyisestä sijainnistasi ovelle. Tarkkaan ottaen et koskaan pääse ovelle, koska jokaisen askeleen jälkeen sinulla on etäisyys ylitettäväksi. Bertozzi kohtasi suunnilleen tällaista ongelmaa käsitellessään elektroniaan.
Mutta valo koostuu hiukkasista, joita kutsutaan fotoneiksi. Miksi nämä hiukkaset voivat liikkua valon nopeudella, mutta elektronit eivät?
"Kun esineet liikkuvat nopeammin ja nopeammin, ne muuttuvat raskaammiksi - mitä raskaammiksi ne tulevat, sitä vaikeampaa niiden on kiihtyä, joten et koskaan pääse valon nopeuteen", sanoo Australian Melbournen yliopiston fyysikko Roger Rassoul.”Fotonilla ei ole massaa. Jos hänellä olisi massaa, hän ei voinut liikkua valon nopeudella."
Fotonit ovat erityisiä. Heistä ei vain puuttu massa, mikä antaa heille täydellisen liikkumisvapauden avaruuden tyhjiössä, mutta myös heidän ei tarvitse kiihdyttää. Heidän käytettävissään oleva luonnonenergia liikkuu aalloilla, aivan kuten hekin tekevät, joten luomishetkellä heillä on jo suurin nopeus. Tietyssä mielessä on helpompaa ajatella valoa energiana kuin hiukkasvirrana, vaikka totuus on, että valo on molemmat.
Valo kulkee kuitenkin paljon hitaammin kuin voimme odottaa. Vaikka Internet-tekniikat haluavat puhua viestinnästä, joka toimii kuidun "valon nopeudella", valo kulkee kuidun lasissa 40% hitaammin kuin tyhjössä.
Todellisuudessa fotonit kulkevat nopeudella 300 000 km / s, mutta ne kohtaavat tietyn määrän häiriöitä, jotka johtuvat muista fotoneista, joita lasiatomit lähettävät, kun päävaloaalto ohittaa. Tätä ei ehkä ole helppo ymmärtää, mutta ainakin yritimme.
Samoin yksittäisten fotonien kanssa suoritettujen erityiskokeiden yhteydessä oli mahdollista hidastaa niitä melko vaikuttavasti. Mutta useimmissa tapauksissa voimassa on 300 000. Emme ole nähneet tai luoneet mitään, joka voisi liikkua yhtä nopeasti tai jopa nopeammin. On olemassa erityisiä kohtia, mutta ennen kuin koskemme niitä, koskekaamme toista kysymystämme. Miksi on niin tärkeää, että valonopeussääntöä noudatetaan tiukasti?
Vastaus liittyy miehen nimeltä Albert Einstein, kuten fysiikassa usein tapahtuu. Hänen erityissuhteellisuusteoriansa tutkii hänen yleisten nopeusrajoitustensa monia seurauksia. Yksi teorian tärkeimmistä elementeistä on ajatus, että valon nopeus on vakio. Ei ole väliä missä olet tai kuinka nopeasti liikut, valo liikkuu aina samalla nopeudella.
Mutta tällä on useita käsitteellisiä ongelmia.
Kuvittele taskulampun putoava valo paikallaan olevan avaruusaluksen katolla olevaan peiliin. Valo nousee, heijastuu peilistä ja putoaa avaruusaluksen lattialle. Oletetaan, että hän on matkannut 10 metriä.
Kuvittele nyt, että tämä avaruusalus alkaa liikkua kolosiaalisella nopeudella, joka on tuhansia kilometrejä sekunnissa. Kun kytket taskulampun, valo käyttäytyy kuten ennenkin: se paistaa ylöspäin, osuu peiliin ja heijastuu lattialle. Mutta tämän tekemiseksi valon on kuljettava diagonaalinen etäisyys, ei pystysuoraan. Loppujen lopuksi peili liikkuu nyt nopeasti avaruusaluksen mukana.
Vastaavasti valon kulkema etäisyys kasvaa. Sanotaan 5 metriä. Se osoittautuu yhteensä 15 metriä, ei 10.
Siitä huolimatta, vaikka etäisyys on kasvanut, Einsteinin teoriat väittävät, että valo liikkuu edelleen samalla nopeudella. Koska nopeus jaetaan etäisyydellä ajasta, koska nopeus pysyy samana ja etäisyys kasvaa, myös ajan on lisättävä. Kyllä, ajan itsensä on venyttävä. Vaikka se kuulostaa oudolta, se on vahvistettu kokeellisesti.
Tätä ilmiötä kutsutaan ajan dilaatioksi. Aika liikkuu hitaammin ihmisillä, jotka liikkuvat nopeasti liikkuvilla ajoneuvoilla, suhteessa paikallaan oleviin.
Esimerkiksi aika menee 0,007 sekuntia hitaammin astronautteille kansainvälisellä avaruusasemalla, joka liikkuu nopeudella 7,66 km / s suhteessa maahan, verrattuna planeetan ihmisiin. Vielä mielenkiintoisempaa on tilanne hiukkasilla, kuten edellä mainitut elektronit, jotka voivat kulkea lähellä valon nopeutta. Näiden hiukkasten tapauksessa hidastuvuusaste on valtava.
Ison-Britannian Oxfordin yliopiston kokeellinen fyysikko Stephen Colthammer viittaa esimerkkiin hiukkasista, joita kutsutaan muoneiksi.
Kuonit ovat epävakaita: ne hajoavat nopeasti yksinkertaisemmiksi hiukkasiksi. Niin nopeasti, että useimpien Auringosta lähtevien kuukkien pitäisi rappeutua siihen mennessä, kun ne saavuttavat maan. Mutta todellisuudessa kuikot saapuvat maan päälle Auringosta kolossaalisin määrin. Fyysikot ovat pitkään yrittäneet selvittää miksi.
"Vastaus tähän salaisuuteen on, että kuikot tuotetaan sellaisella energialla, että ne liikkuvat nopeudella lähellä valoa", Kolthammer sanoo. "Heidän aikatuntonsa, niin sanotusti, heidän sisäinen kellonsa toimii hitaasti."
Kuut "selviävät" odotettua pidempään suhteessa meihin nykyisen luonnollisen ajan kaarevuuden ansiosta. Kun esineet liikkuvat nopeasti suhteessa muihin esineisiin, myös niiden pituus pienenee, supistuu. Nämä seuraukset, ajan dilaatio ja pituuden pienentyminen, ovat esimerkkejä siitä, kuinka avaruusaika muuttuu asioiden - minä, sinä tai avaruusaluksen - liikkumisen mukaan massan mukana.
Mikä on tärkeää, kuten Einstein sanoi, ei vaikuta valoon, koska siinä ei ole massaa. Siksi nämä periaatteet kulkevat käsi kädessä. Jos esineet voisivat liikkua valoa nopeammin, ne noudattaisivat peruslakeja, jotka kuvaavat maailmankaikkeuden toimintaa. Nämä ovat keskeisiä periaatteita. Nyt voimme puhua muutamista poikkeuksista ja poikkeuksista.
Toisaalta, vaikka emme ole nähneet mitään liikkuvan valoa nopeammin, tämä ei tarkoita, että tätä nopeusrajoitusta ei voida teoriassa rikkoa hyvin erityisissä olosuhteissa. Otetaan esimerkiksi itse maailmankaikkeuden laajeneminen. Universumin galaksit siirtyvät toisistaan huomattavasti nopeammin kuin valo.
Toinen mielenkiintoinen tilanne koskee hiukkasia, joilla on samat ominaisuudet samaan aikaan riippumatta siitä, kuinka kaukana toisistaan. Tämä on niin kutsuttu "kvantti takertuminen". Fotoni pyörii ylös ja alas, valitsemalla sattumanvaraisesti kahdesta mahdollisesta tilasta, mutta pyörimissuunnan valinta heijastaa tarkasti toista fotonia muualla, jos ne ovat takertuneet toisiinsa.
Kaksi tutkijaa, jotka kumpikin tutkivat omaa fotoniaan, saavat saman tuloksen samanaikaisesti, nopeammin kuin valon nopeus mahdollistaisi.
Molemmissa näissä esimerkeissä on kuitenkin tärkeää huomata, että mikään informaatio ei kulje valon nopeutta nopeammin kahden esineen välillä. Voimme laskea maailmankaikkeuden laajenemisen, mutta emme voi tarkkailla objekteja siinä valoa nopeammin: ne ovat kadonneet näkökentästä.
Mitä tulee kahteen tutkijaan fotoneillaan, vaikka he saattoivat saada saman tuloksen samanaikaisesti, he eivät voineet antaa toisilleen tietää siitä nopeammin kuin valo kulkee niiden välillä.
"Tämä ei aiheuta meille mitään ongelmaa, koska jos pystyt lähettämään signaaleja valoa nopeammin, saat omituisia paradokseja, joiden mukaan tiedot voivat jotenkin kulkea ajassa taaksepäin", Kolthammer sanoo.
On myös yksi toinen tapa tehdä kevyemmästä nopeammasta matkasta teknisesti mahdollista: avaruusajan aukot, jotka sallivat matkustajan välttää normaalin matkan sääntöjä.
Gerald Cleaver Texasin Baylorin yliopistosta uskoo, että voimme jonain päivänä rakentaa avaruusaluksen, joka kulkee valoa nopeammin. Mikä liikkuu madonreiän läpi. Matoreiät ovat avaruus-ajankierroksia, jotka sopivat täydellisesti Einsteinin teorioihin. Ne voisivat antaa astronautin hypätä maailmankaikkeuden päästä toiseen käyttämällä poikkeamaa avaruuden aikana, jonkinlaista kosmisen pikakuvakkeen muotoa.
Matoreiän läpi kulkeva esine ei saa ylittää valon nopeutta, mutta voi teoriassa saavuttaa määränpäähänsä nopeammin kuin "normaalia" polkua kulkeva valo. Matoreikiä ei kuitenkaan välttämättä ole pääsy avaruusmatkoille. Voisiko olla jokin muu tapa vääristää avaruusaikaa liikkuessa nopeammin kuin 300 000 km / s jonkun toisen suhteen?
Cleaver tutki myös teoriafyysikon Miguel Alcubierren vuonna 1994 ehdottamaa "Alcubierre-moottorin" ajatusta. Hän kuvaa tilannetta, jossa avaruusaika supistuu avaruusaluksen edessä, työntäen sitä eteenpäin ja laajentuvan sen taakse, työntäen myös eteenpäin. "Mutta sitten", Cleaver sanoo, "nousi ongelmia: miten se tehdään ja kuinka paljon energiaa tarvitaan."
Vuonna 2008 hän ja jatko-opiskelija Richard Aubosie laskivat, kuinka paljon energiaa tarvitaan.
"Kuvittelimme 10m x 10m x 10m avaruusaluksen - 1000 kuutiometriä - ja lasimme, että prosessin aloittamiseen tarvittava energiamäärä vastaa koko Jupiterin massaa."
Sen jälkeen energiaa on jatkuvasti "kaadettava", jotta prosessi ei lopu. Kukaan ei tiedä, onko tämä koskaan mahdollista tai millainen vaaditut tekniikat ovat. "En halua, että minua sanotaan vuosisatojen ajan ennustavan jotain, jota ei koskaan tapahdu", Cleaver sanoo, "mutta en vielä näe ratkaisuja."
Joten, valon nopeutta nopeampi matkustaminen on tällä hetkellä fantasia. Toistaiseksi ainoa tapa vierailla eksoplaneetalla elämän aikana on sukeltaa syvään keskeytettyyn animaatioon. Ja silti se ei ole kaikki huonoa. Useimmissa tapauksissa puhuimme näkyvästä valosta. Mutta todellisuudessa valo on paljon enemmän. Radioaalloista ja mikroaalloista näkyvään valoon, ultraviolettisäteilyyn, röntgen- ja gammasäteisiin, joita atomien lähettämät hajoavat, nämä kauniit säteet koostuvat kaikesta samasta: fotoneista.
Ero on energiassa, mikä tarkoittaa aallonpituutta. Yhdessä nämä säteet muodostavat sähkömagneettisen spektrin. Se, että esimerkiksi radioaallot kulkevat valon nopeudella, on uskomattoman hyödyllinen viestinnässä.
Kolthammer luo tutkimuksessaan piirin, joka käyttää fotoneja signaalien siirtämiseen piirin yhdestä osasta toiseen, joten hän ansaitsee oikeuden kommentoida uskomattoman valonopeuden hyödyllisyyttä.
"Se tosiasia, että rakensimme esimerkiksi Internetin infrastruktuurin ja ennen sitä valoon perustuvan radion, liittyy siihen, kuinka helposti voimme siirtää sitä", hän toteaa. Ja hän lisää, että valo toimii maailmankaikkeuden viestintävoimana. Kun matkapuhelimen elektronit alkavat ravistaa, fotonit lentävät ulos ja myös toisen matkapuhelimen elektronit ravistavat. Näin syntyy puhelu. Auringon elektronien vapina myös säteilee fotoneja - suurina määrinä - jotka tietysti muodostavat valon, joka antaa elämälle maanlämmön, ja, valhe, valon.
Valo on maailmankaikkeuden universaali kieli. Sen nopeus - 299 792,458 km / s - pysyy vakiona. Samaan aikaan tila ja aika ovat muokattavia. Ehkä meidän ei pitäisi miettiä, kuinka liikkua valoa nopeammin, vaan miten liikkua nopeammin tämän tilan ja tällä kertaa? Kypsyä juuri, niin sanoakseni?