Az árnyékok gyorsabban tudnak utazni, mint a fény, de nem szállítanak anyagot vagy információt

Lehetséges szuperluminális repülés?

Ennek a cikknek a részei felirattal vannak ellátva, és mindegyik szakaszra külön hivatkozhat.

Egyszerű példák a szuperluminális utazásra

1. Cserenkov-effektus

Amikor szuperluminális sebességű mozgásról beszélünk, akkor a fény sebességét értjük vákuumban c(299 792 458 m/s). Ezért a Cserenkov-effektus nem tekinthető a szuperluminális sebességű mozgás példájának.

2. Harmadik megfigyelő

Ha a rakéta A gyorsan elrepül előlem 0,6c nyugatra, és a rakéta B gyorsan elrepül előlem 0,6c keletre, akkor látom, hogy a távolság között AÉs B sebességgel növekszik 1.2c. Nézni a rakéták repülését AÉs B kívülről a harmadik szemlélő azt látja, hogy a rakétaeltávolítás teljes sebessége nagyobb, mint c .

azonban relatív sebesség nem egyenlő a sebességek összegével. Rakéta sebessége A a rakétához képest B az a sebesség, amellyel a rakéta távolsága nő A, amelyet egy rakétán repülő megfigyelő lát B. A relatív sebességet a sebességek összeadására szolgáló relativisztikus képlet segítségével kell kiszámítani. (Lásd: Hogyan adjunk hozzá sebességeket a speciális relativitáselméletben?) Ebben a példában a relatív sebesség megközelítőleg egyenlő 0,88c. Tehát ebben a példában nem kaptunk szuperluminális sebességet.

3. Fény és árnyék

Gondolj bele, milyen gyorsan tud mozogni egy árnyék. Ha a lámpa közel van, akkor az ujjának árnyéka a távoli falon sokkal gyorsabban mozog, mint az ujja. Ha az ujját a fallal párhuzamosan mozgatja, az árnyék sebessége a következő D/d szor gyorsabban, mint az ujja sebessége. Itt d- a lámpa és az ujj közötti távolság, és D- lámpától a falig. A sebesség még nagyobb lesz, ha a fal ferdén helyezkedik el. Ha a fal nagyon távol van, akkor az árnyék mozgása elmarad az ujj mozgásától, mivel a fénynek idő kell ahhoz, hogy elérje a falat, de a fal mentén haladó árnyék sebessége még tovább nő. Az árnyék sebességét nem korlátozza a fény sebessége.

Egy másik tárgy, amely gyorsabban haladhat, mint a fény, a Holdra irányított lézer fényfoltja. A Hold távolsága 385 000 km. Ön maga is kiszámíthatja, hogy a fényfolt milyen sebességgel mozog a Hold felszínén a kezében lévő lézermutató enyhe rezgésével. Lehet, hogy tetszeni fog az a példa is, amikor egy hullám enyhe szögben üti le a tengerpart egyenes vonalát. Milyen sebességgel haladhat a hullám és a part metszéspontja a tengerparton?

Mindezek a dolgok megtörténhetnek a természetben. Például egy pulzárból származó fénysugár egy porfelhőn haladhat végig. Erőteljes robbanás gömb alakú fény- vagy sugárzáshullámokat hozhat létre. Amikor ezek a hullámok metszik egymást bármely felülettel, fénykörök jelennek meg azon a felületen, és gyorsabban tágulnak, mint a fény. Ez a jelenség például akkor figyelhető meg, amikor elektromágneses impulzus villámlástól áthalad a felső légkörön.

4. Szilárd

Ha hosszú merev botja van, és eltalálja a bot egyik végét, akkor a másik vége nem mozdul el azonnal? Nem az információ szuperluminális továbbításának ez a módja?

Igaz lenne ha Tökéletesen merev testek voltak. A gyakorlatban a becsapódás a rúd mentén hangsebességgel halad át, ami a rúd anyagának rugalmasságától és sűrűségétől függ. Ezenkívül a relativitáselmélet értékkel korlátozza az anyag lehetséges hangsebességét c .

Ugyanez az elv érvényesül, ha egy madzagot vagy rudat függőlegesen tartunk, elengedjük, és a gravitáció hatására zuhanni kezd. A felső vége, amelyet elenged, azonnal zuhanni kezd, de az alsó vége csak egy idő után kezd el mozogni, mivel a tartóerő eltűnése hangsebességgel továbbítódik az anyagban.

A relativisztikus rugalmasságelmélet megfogalmazása meglehetősen bonyolult, de az általános elképzelés a newtoni mechanika segítségével szemléltethető. Az ideálisan rugalmas test hosszirányú mozgásának egyenlete a Hooke-törvényből származtatható. Jelöljük a rúd lineáris sűrűségét ρ , Young-féle rugalmassági modulus Y. Hosszirányú elmozdulás x kielégíti a hullámegyenletet

ρ d 2 X/dt 2 - Y d 2 X/dx 2 = 0

A síkhullám-oldat hangsebességgel mozog s, amelyet a képletből határozunk meg s 2 = Y/ρ. A hullámegyenlet nem engedi, hogy a közegben lévő zavarok a sebességnél gyorsabban mozogjanak s. Ezenkívül a relativitáselmélet korlátozza a rugalmasság nagyságát: Y< ρc 2 . A gyakorlatban egyetlen ismert anyag sem éri el ezt a határt. Vegye figyelembe azt is, hogy még akkor is, ha a hangsebesség közel van a c, akkor maga az anyag nem feltétlenül mozog relativisztikus sebességgel.

Bár a természetben nincsenek szilárd testek, vannak merev testek mozgása, amellyel a fénysebesség legyőzhető. Ez a témakör az árnyékok és csúcsfények már leírt részéhez kapcsolódik. (Lásd: The Superluminal Scissors, The Rigid Rotating Disk in Relativity).

5. Fázis sebessége

Hullámegyenlet
d 2 u/dt 2 - c 2 d 2 u/dx 2 + w 2 u = 0

formában van megoldása
u = A cos(ax - bt), c 2 a 2 - b 2 + w 2 = 0

Ezek v sebességgel terjedő szinuszhullámok
v = b/a = sqrt(c 2 + w 2 /a 2)

De ez több mint c. Talán ez a tachionok egyenlete? (lásd a további részt). Nem, ez egy közönséges relativisztikus egyenlet egy tömegű részecskére.

A paradoxon kiküszöbölése érdekében különbséget kell tenni a „fázissebesség” között v ph és "csoportsebesség" v gr , és
v ph ·v gr = c 2

A hullámoldatnak lehet frekvencia diszperziója. Ebben az esetben a hullámcsomag csoportsebességgel mozog, ami kisebb, mint c. Hullámcsomag használatával az információ csak csoportsebességgel továbbítható. A hullámcsomagban a hullámok fázissebességgel mozognak. A fázissebesség egy másik példa a szuperluminális mozgásra, amely nem használható üzenetek továbbítására.

6. Szuperluminális galaxisok

7. Relativisztikus rakéta

Hadd lásson egy megfigyelő a Földön egy nagy sebességgel távolodó űrhajót 0,8c Vminek megfelelően relativitás-elmélet, látni fogja, hogy az űrhajó órája 5/3-szor lassabban jár. Ha elosztjuk a hajó távolságát a repülési idővel a fedélzeti óra szerint, akkor megkapjuk a sebességet 4/3c. A megfigyelő arra a következtetésre jut, hogy a fedélzeti órája segítségével a hajó pilótája azt is megállapítja, hogy szuperluminális sebességgel repül. A pilóta szemszögéből az órája rendesen jár, de a csillagközi tér 5/3-szorosára zsugorodott. Ezért ismert távolságokat a csillagok között gyorsabban, sebességgel repül 4/3c .

De ez még mindig nem szuperluminális repülés. A sebességet nem lehet kiszámítani a különböző referenciarendszerekben meghatározott távolság és idő alapján.

8. A gravitáció sebessége

Egyesek ragaszkodnak ahhoz, hogy a gravitáció sebessége sokkal nagyobb c vagy akár végtelen. Nézze meg, hogy a gravitáció fénysebességgel utazik? és mi a gravitációs sugárzás? A gravitációs zavarok és a gravitációs hullámok sebességgel terjednek c .

9. EPR paradoxon

10. Virtuális fotonok

11. Kvantum alagút effektus

A kvantummechanikában az alagút effektus lehetővé teszi, hogy a részecske leküzdje a gátat, még akkor is, ha nincs elegendő energiája ehhez. Egy ilyen akadályon keresztül ki lehet számítani az alagútfutási időt. És előfordulhat, hogy kevesebb, mint amennyi ahhoz szükséges, hogy a fény ugyanazt a távolságot sebességgel tegye meg c. Használható ez a fénynél gyorsabb üzenetek továbbítására?

A kvantumelektrodinamika azt mondja: "Nem!" Azonban végeztek egy kísérletet, amely az alagúthatás segítségével szuperluminális információátvitelt mutatott be. 11,4 cm széles korláton keresztül 4,7-es sebességgel c Mozart Negyvenedik szimfóniáját átvitték. Ennek a kísérletnek a magyarázata nagyon ellentmondásos. A legtöbb fizikus úgy véli, hogy az alagúthatást nem lehet átvitelre használni információ gyorsabb a fénynél. Ha ez lehetséges, akkor miért ne továbbíthatnánk a jelet a múltba úgy, hogy a berendezést gyorsan mozgó referenciakeretbe helyezzük.

17. Kvantumtérelmélet

A gravitáció kivételével minden megfigyelt fizikai jelenség megfelel a Standard Modellnek. A Standard Modell egy relativisztikus kvantumtérelmélet, amely megmagyarázza az elektromágneses és nukleáris kölcsönhatásokat, valamint az összes ismert részecskét. Ebben az elméletben minden olyan operátorpár, amely megfelel a fizikai megfigyeléseknek, amelyeket egy térszerű eseményintervallum választ el egymástól, „ingázik” (azaz ezen operátorok sorrendje megváltoztatható). Ez elvileg azt jelenti, hogy a standard modellben egy becsapódás nem haladhat gyorsabban a fénynél, és ez tekinthető a végtelen energia argumentum kvantumtér megfelelőjének.

A Standard Modell kvantumtérelméletére azonban nincs kifogástalanul szigorú bizonyíték. Még senki sem bizonyította, hogy ez az elmélet belsőleg konzisztens. Valószínűleg nem ez a helyzet. Mindenesetre nincs garancia arra, hogy nincsenek még fel nem fedezett részecskék vagy erők, amelyek nem engedelmeskednek a szuperluminális utazás tilalmának. Ennek az elméletnek nincs olyan általánosítása, amely magában foglalja a gravitációt és az általános relativitáselméletet. A kvantumgravitáció területén dolgozó fizikusok közül sokan kételkednek abban, hogy az okságról és lokalitásról szóló egyszerű elképzelések általánossá válnának. Nincs garancia arra, hogy egy jövőbeni teljesebb elméletben a fénysebesség megtartja a végső sebesség jelentését.

18. A nagypapa-paradoxon

A speciális relativitáselméletben az egyik vonatkoztatási rendszerben a fénynél gyorsabban haladó részecske egy másik vonatkoztatási rendszerben időben visszafelé halad. Az FTL utazás vagy információátadás lehetővé tenné a múltba utazást vagy üzenetküldést. Ha lehetséges lenne egy ilyen időutazás, visszamehetnél az időben, és megváltoztathatnád a történelem menetét azzal, hogy megölöd a nagyapádat.

Ez nagyon komoly érv a szuperluminális utazás lehetősége ellen. Igaz, továbbra is szinte valószínűtlen annak a lehetősége, hogy lehetséges bizonyos korlátozott szuperluminális utazás, amely megakadályozza a múltba való visszatérést. Vagy talán lehetséges az időutazás, de az ok-okozati összefüggést valamilyen következetes módon megsértik. Mindez nagyon távoli, de ha szuperluminális utazásról beszélünk, jobb, ha felkészülünk az új ötletekre.

Ennek az ellenkezője is igaz. Ha vissza tudnánk utazni az időben, leküzdhetnénk a fénysebességet. Vissza lehet menni az időben, kis sebességgel repülni valahova, és megérkezni oda, mielőtt a szokásos módon küldött fény megérkezne. A témával kapcsolatos részletekért lásd: Időutazás.

Nyisson kérdéseket a fénynél gyorsabb utazással kapcsolatban

Ebben az utolsó részben leírok néhány komoly ötletet a lehetséges fénynél gyorsabb utazásról. Ezek a témák nem gyakran szerepelnek a GYIK között, mert kevésbé tűnnek válaszoknak, és inkább sok új kérdésnek. Azért kerültek ide, hogy megmutassák, komoly kutatások folynak ebben az irányban. Csak egy rövid bevezetőt adunk a témához. Részleteket az interneten találhat. Mint minden interneten, légy kritikus velük szemben.

19. Tachionok

A tachionok olyan hipotetikus részecskék, amelyek helyileg gyorsabban haladnak, mint a fény. Ehhez képzeletbeli tömeggel kell rendelkezniük. Ráadásul a tachion energiája és lendülete valós mennyiségek. Nincs ok azt hinni, hogy a szuperluminális részecskéket nem lehet kimutatni. Az árnyékok és a csúcsfények gyorsabban haladhatnak, mint a fény, és észlelhetők.

Eddig nem találtak tachionokat, és a fizikusok kétségbe vonják létezésüket. Vannak olyan állítások, amelyek szerint a trícium béta-bomlása során keletkező neutrínók tömegének mérésére irányuló kísérletekben a neutrínók tachionok voltak. Ez kétséges, de még nem cáfolták véglegesen.

Problémák vannak a tachion elmélettel. Az ok-okozati összefüggés esetleges megzavarása mellett a tachionok a vákuumot is instabillá teszik. Lehetséges, hogy ezeket a nehézségeket ki lehet kerülni, de még akkor sem használhatunk tachionokat szuperluminális üzenetátvitelre.

A legtöbb fizikus úgy véli, hogy a tachionok megjelenése az elméletben az elmélet néhány problémájának a jele. A tachionok ötlete annyira népszerű a közönség körében, mert gyakran emlegetik őket a tudományos-fantasztikus irodalomban. Lásd Tachionok.

20. Féreglyukak

A globális szuperluminális utazás leghíresebb módszere a féreglyukak használata. A féreglyuk a téridőben az univerzum egyik pontjából a másikba történő bevágás, amely lehetővé teszi, hogy a lyuk egyik végétől a másikig gyorsabban haladjunk, mint a szokásos útvonalon. A féreglyukakat az általános relativitáselmélet írja le. Létrehozásukhoz meg kell változtatni a téridő topológiáját. Talán ez a gravitáció kvantumelmélete keretein belül válik lehetővé.

A féreglyuk nyitva tartásához negatív energiájú térterületekre van szükség. C.W.Misner és K.S.Thorne javasolta a Casimir-effektus nagy léptékű használatát negatív energia létrehozására. Visser kozmikus húrok használatát javasolta ehhez. Ezek nagyon spekulatív ötletek, és nem biztos, hogy megvalósíthatók. Talán nem létezik a negatív energiájú egzotikus anyag szükséges formája.

2011 szeptemberében Antonio Ereditato fizikus sokkolta az egész világot. Kijelentése azt ígérte, hogy forradalmasítja a világegyetem egész megértését. És ha az OPERA programban részt vevő 160 tudós által összegyűjtött adatok helyesek voltak, akkor az azt jelentette, hogy valami hihetetlen dolgot fedeztek fel. A részecskék, jelen esetben a neutrínók, gyorsabban mozogtak, mint a fénysebesség.

Hihetetlen felfedezés

Einstein relativitáselmélete szerint ennek nem szabadna megtörténnie. És annak bizonyítása, hogy ez megtörtént, óriási következményekkel járna. A fizika sok pontját felül kellene vizsgálni. És bár Ereditato és csapata arról számolt be, hogy nagyon bíznak abban, amit találtak, azt nem mondták, hogy száz százalékig biztosak voltak megfigyeléseik pontosságában. Valójában más tudósokat kértek meg, hogy segítsenek nekik megérteni, mi történt.

Hiba a kísérletben

Ennek eredményeként kiderült, hogy az OPERA program hibás. Az idő leolvasásának problémája az volt, hogy a kábel, amelynek hihetetlenül pontos jeleket kellett volna továbbítania a GPS-műholdakról, rosszul volt csatlakoztatva. Ennek megfelelően a jelátvitelben váratlan késés következett be. Így annak mérése, hogy egy neutrínónak mennyi ideig tartott megtenni egy bizonyos távolságot, körülbelül 73 nanoszekundumos hibával járt. Ebből úgy tűnt, hogy ezek a részecskék gyorsabban mozognak, mint a fényrészecskék.

Következmények

A kísérlet megkezdése előtt több hónapig tartó gondos tesztelés ellenére, nagyszámú a kísérlet során szerzett információk ismételt ellenőrzése, ezúttal a tudósok még mindig tévedtek. Ereditato lemondott, bár sokan megjegyezték, hogy a részecskegyorsítók rendkívül összetett technológiájában ilyen hibák elég gyakran előfordulnak. De miért számít még a legkisebb felvetés is, hogy valami gyorsabban mozoghat a fénysebességnél? És az emberek tényleg biztosak abban, hogy erre semmi sem képes?

Fény sebessége

Nézzük először a második kérdést. A fénysebesség vákuumban 299 792,458 kilométer/másodperc – kicsit elmarad a szép kerek, 300 ezer kilométer/másodperces adattól. Nagyon gyors. A Nap 150 millió kilométerre van a Földtől, és a fénynek mindössze nyolc perc húsz másodpercre van szüksége erre az útra. Versenyezhet bármi, amit ember alkotott a fénnyel? Az egyik leggyorsabb ember által valaha létrehozott objektum a New Horizons űrszonda, amely 2015-ben elrepült a Plútó és a Charon mellett. A maximális sebesség, amit el tudott érni, 16 kilométer per másodperc volt, vagyis sokkal kevesebb, mint 300 ezer kilométer per másodperc.

Elektronkísérlet

Az embereknek azonban sikerült az apró részecskéket sokkal nagyobb sebességgel mozgatni. A hatvanas évek elején William Bertozzi, a Massachusetts Institute of Technology munkatársa elektronok gyorsításával kísérletezett. Mivel az elektronok negatív töltésűek, lehetséges, hogy taszítással mozgásba hozza őket, ha az anyag azonos töltéssel van feltöltve. Minél több energiát használnak fel, annál gyorsabbak lettek az elektronok.

Miért nem alkalmazunk maximális energiát?

Azt gondolhatnánk, hogy elég az alkalmazott energiát olyan mértékben növelni, hogy a részecskesebesség a szükséges 300 ezer kilométer per másodpercre fejlődjön. Kiderült azonban, hogy az elektronok nem tudnak ilyen gyorsan mozogni. Bertozzi kísérletei kimutatták, hogy több energia felhasználása nem eredményezi az elektronok sebességének arányos növekedését. Egyre több energiát kellett alkalmaznia a részecskesebesség egyre csökkenő növekedéséhez. Egyre közelebb kerültek a fénysebességhez, de soha nem érték el.

A teljesítés lehetetlensége

Képzelje el, hogy lépést kell tennie az ajtóhoz, de minden további lépés fele akkora lesz, mint az előző. Egyszerűen fogalmazva, soha nem fogod elérni az ajtót, mivel minden további lépésnél még mindig lesz egy bizonyos távolság közted és az ajtó között. Bertozzi pontosan ezzel a problémával találkozott az elektronokkal végzett kísérlete során. A fény azonban fotonoknak nevezett részecskékből áll. Miért mozoghatnak ezek a részecskék fénysebességgel, ha az elektronok nem érik el a feladatot?

A fotonok jellemzői

Ahogy egy tárgy egyre gyorsabban mozog, úgy egyre nehezebbé válik, ezért egyre nehezebben veszi fel a sebességet, ezért soha nem fogják tudni elérni a fénysebességet. A fotonoknak nincs tömegük. Ha lenne tömegük, nem tudnának fénysebességgel mozogni. A fotonok egyedi részecskék. Nincs tömegük, ami megadja nekik határtalan lehetőségek vákuumban történő mozgáskor nem kell gyorsítaniuk. A hullámokban való mozgásuk során birtokukban lévő természetes energia biztosítja, hogy a fotonok a keletkezés pillanatában már elérjék sebességhatárukat.

2017. március 25

Az FTL utazás az űrsci-fi egyik alapja. Azt azonban valószínűleg mindenki - még a fizikától távol állók is - tudja, hogy az anyagi tárgyak mozgásának vagy bármilyen jel terjedésének maximális sebessége a fény sebessége vákuumban. C betűvel van jelölve, és csaknem 300 ezer kilométer per másodperc; pontos érték c = 299 792 458 m/s.

A fény sebessége vákuumban az egyik alapvető fizikai állandó. A c-t meghaladó sebesség elérésének lehetetlensége Einstein speciális relativitáselméletéből (STR) következik. Ha be lehetne bizonyítani, hogy a jelek szuperluminális sebességgel átvitele lehetséges, a relativitáselmélet bukna. Eddig ez nem történt meg, annak ellenére, hogy számos kísérletet próbáltak cáfolni a c-nél nagyobb sebességek létezésének tilalmát. A közelmúltban végzett kísérleti tanulmányok azonban feltártak néhány nagyon érdekes jelenségek, jelezve, hogy speciálisan kialakított körülmények között szuperluminális sebességek megfigyelhetők, ugyanakkor a relativitáselmélet elvei nem sérülnek.

Először is emlékezzünk vissza a fénysebesség problémájával kapcsolatos főbb szempontokra.

Először is: miért lehetetlen (normál körülmények között) túllépni a fényhatárt? Mert akkor sérül világunk alaptörvénye - az oksági törvény, amely szerint az okozat nem előzheti meg az okot. Soha senki nem figyelte meg, hogy például egy medve először holtan esett le, majd a vadász lőtt. C-t meghaladó sebességnél az események sorrendje megfordul, az időszalag visszatekerődik. Ez könnyen ellenőrizhető a következő egyszerű érvelésből.

Tegyük fel, hogy valamiféle űrcsodahajón vagyunk, amely gyorsabban halad a fénynél. Ekkor fokozatosan utolérnénk a forrás által a korábbi és korábbi időpontokban kibocsátott fényt. Először is utolérnénk a mondjuk tegnap kibocsátott fotonokat, majd a tegnapelőtt, majd egy héttel, egy hónappal, egy évvel ezelőtt és így tovább. Ha a fényforrás életet tükröző tükör lenne, akkor először a tegnapi eseményeket látnánk, majd a tegnapelőtt és így tovább. Láthatnánk mondjuk egy idős embert, aki fokozatosan középkorúvá, majd fiatalemberré, ifjúvá, gyerekké válik... Vagyis visszafordulna az idő, a jelenből áttérnénk a a múlt. Az okok és következmények ezután helyet cserélnének.

Noha ez a vita teljesen figyelmen kívül hagyja a fény megfigyelésének folyamatának technikai részleteit, alapvető szempontból egyértelműen megmutatja, hogy a szuperluminális sebességű mozgás olyan helyzethez vezet, amely a mi világunkban lehetetlen. A természet azonban ennél is szigorúbb feltételeket szabott: nemcsak a szuperluminális sebességgel való mozgás elérhetetlen, hanem a fénysebességgel megegyező sebességgel is – csak megközelíteni lehet. A relativitáselméletből az következik, hogy a mozgás sebességének növekedésével három körülmény áll fenn: a mozgó objektum tömege nő, mozgás irányú mérete csökken, és az idő áramlása ezen a tárgyon lelassul (a ponttól külső „pihenő” megfigyelő látásmódja). Közönséges sebességnél ezek a változások elhanyagolhatóak, de a fénysebességhez közeledve egyre észrevehetőbbé válnak, és a határban - c-vel egyenlő sebességnél - a tömeg végtelenül nagy lesz, a tárgy irányában teljesen elveszíti méretét. a mozgás és az idő megáll rajta. Ezért egyetlen anyagi test sem érheti el a fénysebességet. Csak magának a fénynek van ekkora sebessége! (És egy „mindent átható” részecske - egy neutrínó, amely a fotonhoz hasonlóan nem tud c-nél kisebb sebességgel mozogni.)

Most a jelátviteli sebességről. Itt célszerű a fény elektromágneses hullámok formájában történő ábrázolását használni. Mi az a jel? Ez néhány információ, amelyet továbbítani kell. Tökéletes elektromágneses hullám- ez egy végtelen, szigorúan egy frekvenciájú szinusz, és nem hordozhat semmilyen információt, mert egy ilyen szinusz minden periódusa pontosan megismétli az előzőt. A szinuszhullám fázisának mozgási sebessége - az úgynevezett fázissebesség - bizonyos körülmények között meghaladhatja a fény sebességét vákuumban, közegben. Itt nincs korlátozás, mivel a fázissebesség nem a jel sebessége - még nem létezik. A jel létrehozásához valamilyen „jelet” kell tenni a hullámon. Ilyen jel lehet például bármely hullámparaméter - amplitúdó, frekvencia vagy kezdeti fázis - változása. De amint megtörténik a jel, a hullám elveszti szinuszosságát. Modulálttá válik, és különböző amplitúdójú, frekvenciájú és kezdeti fázisú egyszerű szinuszhullámokból áll - egy hullámcsoportból. Az a sebesség, amellyel a jel mozog a modulált hullámban, a jel sebessége. Közegben terjedéskor ez a sebesség általában egybeesik a csoportsebességgel, amely a fent említett hullámcsoport terjedését összességében jellemzi (lásd "Tudomány és Élet" 2000. 2. sz.). Normál körülmények között a csoportsebesség, így a jel sebessége kisebb, mint a fény vákuumsebessége. Nem véletlenül használják itt a „normál körülmények között” kifejezést, mert esetenként a csoportsebesség meghaladhatja a c-t, vagy akár jelentését is elveszítheti, de akkor nem utal a jel terjedésére. A töltőállomás megállapítja, hogy lehetetlen c-nél nagyobb sebességgel jelet továbbítani.

Miért van ez így? Mivel bármely jel c-nél nagyobb sebességű átvitelének akadálya ugyanaz az oksági törvény. Képzeljünk el egy ilyen helyzetet. Egy ponton A fényvillanás (1. esemény) bekapcsol egy bizonyos rádiójelet küldő eszközt, egy távoli B pontban pedig ennek a rádiójelnek a hatására robbanás következik be (2. esemény). Nyilvánvaló, hogy az 1. esemény (fellobbanás) az ok, és a 2. esemény (robbanás) a következmény, amely később következik be, mint az ok. De ha a rádiójel szuperluminális sebességgel terjedne, a B pont közelében lévő megfigyelő először egy robbanást látna, és csak azután annak a robbanásnak az okát, amely fényvillanás sebességével érte el. Más szóval, ennél a megfigyelőnél a 2. esemény korábban következett volna be, mint az 1. esemény, vagyis a hatás megelőzte volna az okot.

Helyénvaló hangsúlyozni, hogy a relativitáselmélet „szuperluminális tilalma” csak az anyagi testek mozgására és a jelek továbbítására vonatkozik. Sok helyzetben bármilyen sebességű mozgás lehetséges, de ez nem anyagi tárgyak vagy jelek mozgása lesz. Például képzeljünk el két meglehetősen hosszú vonalzót ugyanabban a síkban, amelyek közül az egyik vízszintesen helyezkedik el, a másik pedig kis szögben metszi azt. Ha az első vonalzót nagy sebességgel lefelé (a nyíllal jelzett irányba) mozgatjuk, akkor a vonalzók metszéspontja tetszőleges sebességgel futhat, de ez a pont nem anyagi test. Egy másik példa: ha veszel egy zseblámpát (vagy mondjuk egy keskeny sugarat kibocsátó lézert), és gyorsan leírsz egy ívet a levegőben, akkor lineáris sebesség A fénysugár a távolsággal növekszik, és kellően nagy távolságban meghaladja a c-t. A fényfolt A és B pontok között szuperluminális sebességgel fog mozogni, de ez nem lesz jelátvitel A-ból B-be, mivel egy ilyen fényfolt nem hordoz információt az A pontról.

Úgy tűnik, hogy a szuperluminális sebesség kérdése megoldódott. De a huszadik század 60-as éveiben az elméleti fizikusok a tachionoknak nevezett szuperluminális részecskék létezésének hipotézisét terjesztették elő. Ezek nagyon furcsa részecskék: elméletileg lehetségesek, de a relativitáselmélettel való ellentmondások elkerülése érdekében képzeletbeli nyugalmi tömeget kellett hozzájuk rendelni. Fizikailag a képzeletbeli tömeg nem létezik, ez pusztán matematikai absztrakció. Ez azonban nem keltett nagy riadalmat, hiszen a tachionok nem lehetnek nyugalomban - csak a vákuumban lévő fénysebességet meghaladó sebességgel léteznek (ha vannak!), és ebben az esetben a tachion tömege valóságosnak bizonyul. Van itt némi analógia a fotonokkal: a foton nyugalmi tömege nulla, de ez egyszerűen azt jelenti, hogy a foton nem lehet nyugalomban – a fényt nem lehet megállítani.

A legnehezebbnek a tachion-hipotézis és az oksági törvény összeegyeztetése bizonyult. Az ezirányú próbálkozások, bár elég zseniálisak, nem vezettek szembetűnő sikerre. Senkinek sem sikerült kísérletileg tachionokat regisztrálnia. Ennek eredményeként a tachionok, mint szuperluminális elemi részecskék iránti érdeklődés fokozatosan elenyészett.

A 60-as években azonban kísérleti úton felfedeztek egy jelenséget, amely kezdetben megzavarta a fizikusokat. Ezt részletesen leírja A. N. Oraevsky „Superluminal waves in ampliifying media” (UFN No. 12, 1998) című cikkében. Itt röviden összefoglaljuk a dolog lényegét, utalva a részletek iránt érdeklődő olvasót a megadott cikkre.

Nem sokkal a lézerek felfedezése után - a 60-as évek elején - felmerült a probléma a rövid (kb. 1 ns = 10-9 s-ig tartó) nagy teljesítményű fényimpulzusok előállítása. Ehhez egy rövid lézerimpulzust vezettek át egy optikai kvantumerősítőn. Az impulzust egy sugárosztó tükör két részre osztotta. Az egyik, erősebb, az erősítőhöz került, a másik pedig a levegőben terjedt, és referenciaimpulzusként szolgált, amellyel az erősítőn áthaladó impulzust összehasonlítani lehetett. Mindkét impulzus fotodetektorba került, és a kimenő jeleik vizuálisan megfigyelhetők az oszcilloszkóp képernyőjén. Várható volt, hogy az erősítőn áthaladó fényimpulzus némi késést tapasztal a referenciaimpulzushoz képest, vagyis az erősítőben a fény terjedési sebessége kisebb lesz, mint a levegőben. Képzeld el a kutatók csodálkozását, amikor felfedezték, hogy az impulzus nem csak a levegőnél nagyobb sebességgel terjed az erősítőn, hanem a vákuumban a fény sebességének többszöröse is!

Miután felépült az első sokkból, a fizikusok elkezdték keresni egy ilyen váratlan eredmény okát. A speciális relativitáselmélet alapelveivel kapcsolatban senkinek sem volt kétsége, és ez segített megtalálni a helyes magyarázatot: ha az SRT alapelvei megmaradnak, akkor a választ az erősítő közeg tulajdonságaiban kell keresni.

Anélkül, hogy itt részletekbe mennénk, csak rámutatunk erre részletes elemzés a fokozó közeg hatásmechanizmusa teljesen tisztázta a helyzetet. A lényeg a fotonok koncentrációjának változása volt az impulzusterjedés során - ez a változás, amelyet a közeg erősítésének változása okozott. negatív érték az impulzus hátsó részének áthaladása során, amikor a közeg már energiát nyel el, mert a fényimpulzusra való átadása miatt a saját tartaléka már elhasználódott. Az abszorpció nem az impulzus növekedését, hanem gyengülését okozza, így az elülső részen az impulzus erősödik, a hátsó részen gyengül. Képzeljük el, hogy egy impulzust figyelünk meg egy fénysebességgel mozgó eszköz segítségével az erősítő közegében. Ha a közeg átlátszó lenne, az impulzust mozdulatlanságba dermedve látnánk. Abban a környezetben, amelyben a fent említett folyamat végbemegy, az impulzus elülső élének erősödése és a hátulsó élének gyengülése úgy jelenik meg a megfigyelő számára, hogy a közeg úgy tűnik, előre mozdította az impulzust. De mivel az eszköz (megfigyelő) fénysebességgel mozog, és az impulzus utoléri, akkor az impulzus sebessége meghaladja a fénysebességet! Ezt a hatást rögzítették a kísérletezők. És itt tényleg nincs ellentmondás a relativitáselmélettel: az erősítési folyamat egyszerűen olyan, hogy a korábban kikerült fotonok koncentrációja nagyobbnak bizonyul, mint a később kikerülőké. Nem a fotonok mozognak szuperluminális sebességgel, hanem az oszcilloszkópon megfigyelhető impulzusburkológörbe, különösen annak maximuma.

Így míg a közönséges közegben a fény mindig gyengül és sebessége csökken, amit a törésmutató határozza meg, addig az aktív lézeres közegben nem csak a fény erősödik, hanem az impulzus szuperluminális sebességgel terjed.

Egyes fizikusok kísérletileg próbálták bizonyítani a szuperluminális mozgás jelenlétét az alagúthatás során – az egyik elképesztő jelenségek a kvantummechanikában. Ez a hatás abban áll, hogy egy mikrorészecske (pontosabban egy mikroobjektum, in különböző feltételek a részecske tulajdonságait és a hullám tulajdonságait egyaránt felmutató) képes áthatolni az úgynevezett potenciálgáton – ez a jelenség a klasszikus mechanikában teljesen lehetetlen (amiben az analóg a következő szituáció lenne: falnak dobott labda a fal túloldalára kerülne, vagy a falhoz kötött, hullámszerű mozgást kiváltó kötél a másik oldalon a falhoz kötött kötélre kerülne át). Az alagúthatás lényege a kvantummechanikában a következő. Ha egy bizonyos energiájú mikroobjektum útközben olyan területtel találkozik, amelynek potenciális energiája meghaladja a mikroobjektum energiáját, ez a terület gátat jelent számára, amelynek magasságát az energiakülönbség határozza meg. De a mikroobjektum „átszivárog” a sorompón! Ezt a lehetőséget a jól ismert Heisenberg-féle bizonytalansági reláció adja meg, amely az interakció energiájára és idejére íródott. Ha egy mikroobjektum kölcsönhatása egy gáttal meglehetősen meghatározott időn keresztül megy végbe, akkor a mikroobjektum energiáját éppen ellenkezőleg, bizonytalanság jellemzi, és ha ez a bizonytalanság az akadály magasságának nagyságrendje, akkor a ez utóbbi megszűnik leküzdhetetlen akadály lenni a mikroobjektum számára. Számos fizikus kutatásának tárgyává vált a potenciális korláton való áthatolás sebessége, amely szerint ez meghaladhatja a c.

1998 júniusában Kölnben nemzetközi szimpóziumot tartottak a szuperluminális mozgás problémáiról, ahol négy laboratóriumban – Berkeleyben, Bécsben, Kölnben és Firenzében – kapott eredményeket vitatták meg.

Végül 2000-ben két új kísérletről jelentek meg jelentések, amelyekben megjelentek a szuperluminális terjedés hatásai. Az egyiket Lijun Wong és kollégái adták elő a Princetoni Kutatóintézetben (USA). Ennek eredménye, hogy a céziumgőzzel teli kamrába belépő fényimpulzus 300-szorosára növeli a sebességét. Kiderült, hogy az impulzus fő része még korábban kilépett a kamra túlsó falából, mint az impulzus az elülső falon keresztül a kamrába. Ez a helyzet nemcsak a józan észnek mond ellent, hanem lényegében a relativitáselméletnek is.

L. Wong üzenete heves vitát váltott ki a fizikusok körében, akiknek többsége nem volt hajlandó a relativitáselmélet megsértését látni a kapott eredményekben. Úgy vélik, hogy a kihívás helyes magyarázata ennek a kísérletnek.

L. Wong kísérletében a céziumgőzzel a kamrába belépő fényimpulzus körülbelül 3 μs időtartamú volt. A céziumatomok tizenhat lehetséges kvantummechanikai állapotban létezhetnek, ezeket "az alapállapot hiperfinom mágneses részszintjeinek" nevezik. Optikai lézeres pumpálással szinte az összes atomot a tizenhat állapot közül csak egybe vitték, ami a Kelvin-skála szerinti szinte abszolút nulla hőmérsékletnek felel meg (-273,15 °C). A céziumkamra hossza 6 centiméter volt. Vákuumban a fény 0,2 ns alatt 6 centimétert tesz meg. Amint a mérések kimutatták, a fényimpulzus céziummal 62 ns-al rövidebb idő alatt haladt át a kamrán, mint a vákuumban. Más szóval, annak az időnek, amely alatt az impulzus áthalad a cézium közegen, mínusz előjele van! Valóban, ha 0,2 ns-ból kivonunk 62 ns-t, akkor „negatív” időt kapunk. Ez a "negatív késleltetés" a közegben - egy felfoghatatlan időugrás - egyenlő azzal az idővel, amely alatt az impulzus 310-szer áthaladna a kamrán vákuumban. Ennek az „időbeli fordulatnak” az lett a következménye, hogy a kamrából kilépő impulzus 19 méterrel távolodott tőle, mielőtt a bejövő impulzus elérte volna a kamra közeli falát. Mivel magyarázható egy ilyen hihetetlen szituáció (hacsak persze nem kételkedünk a kísérlet tisztaságában)?

A folyamatban lévő vita alapján pontos magyarázatot még nem találtak, de kétségtelen, hogy itt a közeg szokatlan diszperziós tulajdonságai játszanak szerepet: a lézerfénnyel gerjesztett atomokból álló céziumgőz anomális diszperziójú közeg. . Emlékezzünk vissza röviden, mi is ez.

Egy anyag diszperziója az n fázis (közönséges) törésmutatónak az l fényhullámhossztól való függése. Normál diszperzió esetén a törésmutató a hullámhossz csökkenésével növekszik, és ez a helyzet üvegben, vízben, levegőben és minden más, fény számára átlátszó anyagban. Azokban az anyagokban, amelyek erősen elnyelik a fényt, a törésmutató lefutása a hullámhossz változásával megfordul, és sokkal meredekebbé válik: l csökkenésével (növekvő w frekvencia) a törésmutató meredeken csökken, és egy bizonyos hullámhossz-tartományban egységnél kisebb lesz ( fázissebesség Vf > s ). Ez anomális diszperzió, amelyben az anyagban a fényterjedés mintája gyökeresen megváltozik. A Vgr csoportsebesség nagyobb lesz, mint a hullámok fázissebessége, és meghaladhatja a fény sebességét vákuumban (és negatívvá is válhat). L. Wong erre a körülményre mutat rá, mint arra, hogy kísérlete eredményeit megmagyarázza. Megjegyzendő azonban, hogy a Vgr > c feltétel tisztán formális, mivel a csoportsebesség fogalmát kis (normál) diszperzió esetén vezették be, átlátszó közegekre, amikor egy hullámcsoport szinte nem változtatja meg alakját. a szaporítás során. Az anomális diszperziójú területeken a fényimpulzus gyorsan deformálódik, és a csoportsebesség fogalma értelmét veszti; ebben az esetben bevezetik a jelsebesség és az energiaterjedési sebesség fogalmát, amelyek átlátszó közegben egybeesnek a csoportsebességgel, abszorpciós közegben pedig kisebbek maradnak, mint a vákuumban mért fénysebesség. De Wong kísérletében ez az érdekes: a rendellenes diszperziójú közegen áthaladó fényimpulzus nem deformálódik - pontosan megőrzi alakját! És ez megfelel annak a feltételezésnek, hogy az impulzus csoportsebességgel terjed. De ha igen, akkor kiderül, hogy a közegben nincs abszorpció, pedig a közeg rendellenes szórása pontosan az abszorpciónak köszönhető! Maga Wong, bár elismeri, hogy sok minden továbbra is tisztázatlan, úgy véli, hogy a kísérleti elrendezésében zajló események első közelítéssel egyértelműen a következők szerint magyarázhatók.

A fényimpulzus sok különböző hullámhosszú (frekvenciájú) komponensből áll. Az ábrán három ilyen komponens látható (1-3. hullámok). Valamikor mindhárom hullám fázisban van (maximumuk egybeesik); itt összeadva erősítik egymást, és impulzust alkotnak. Ahogy tovább terjednek a térben, a hullámok defázisúvá válnak, és ezáltal „kioltják” egymást.

Az anomális diszperzió tartományában (a céziumcellán belül) a rövidebb hullám (1. hullám) hosszabbá válik. Ezzel szemben a három közül a leghosszabb hullám (3. hullám) lesz a legrövidebb.

Következésképpen a hullámok fázisai ennek megfelelően változnak. Miután a hullámok áthaladtak a cézium cellán, hullámfrontjaik helyreállnak. Miután szokatlan fázismoduláción ment keresztül egy rendellenes diszperziójú anyagban, a szóban forgó három hullám valamikor ismét fázisban találja magát. Itt ismét összeadódnak, és pontosan ugyanolyan alakú impulzust alkotnak, mint ami a cézium közegbe kerül.

Jellemzően levegőben, sőt bármely normál diszperziójú átlátszó közegben a fényimpulzus nem tudja pontosan megőrizni alakját távoli terjedéskor, vagyis minden komponense nem fázisozható a terjedési út bármely távoli pontján. És normál körülmények között egy ilyen távoli ponton egy idő után fényimpulzus jelenik meg. A kísérletben használt közeg rendellenes tulajdonságai miatt azonban az impulzus egy távoli pontban ugyanúgy fázisosnak bizonyult, mint ebbe a közegbe való belépéskor. Így a fényimpulzus úgy viselkedik, mintha egy távoli pont felé vezető úton negatív időkésleltetése lenne, vagyis nem később, hanem korábban érne oda, mint ahogy áthaladt a közegen!

A legtöbb fizikus hajlik arra, hogy ezt az eredményt egy alacsony intenzitású prekurzor megjelenésével hozza összefüggésbe a kamra diszpergáló közegében. Az a helyzet, hogy egy impulzus spektrális felbomlásakor a spektrum tetszőlegesen magas frekvenciájú, elhanyagolhatóan kis amplitúdójú komponenseket tartalmaz, az úgynevezett prekurzort, amely megelőzi az impulzus „fő részét”. A keletkezés természete és az előanyag alakja a közegben való diszperzió törvényétől függ. Ezt szem előtt tartva a Wong-kísérlet eseménysorát a következőképpen javasoljuk értelmezni. A bejövő hullám, „nyújtva” a hírnököt maga elé, közeledik a kamera felé. Mielőtt a beérkező hullám csúcsa elérné a kamra közeli falát, a prekurzor impulzus megjelenését indítja el a kamrában, amely eléri a túlsó falat, és onnan visszaverődik, „fordított hullámot” képezve. Ez a c-nél 300-szor gyorsabban terjedő hullám eléri a közeli falat és találkozik a bejövő hullámmal. Az egyik hullám csúcsai találkoznak a másik hullámvölgyeivel, így tönkreteszik egymást, és ennek következtében nem marad semmi. Kiderült, hogy a beérkező hullám „visszafizeti az adósságot” a céziumatomoknak, amelyek a kamra másik végében „kölcsönöznek” neki energiát. Bárki, aki csak a kísérlet elejét és végét figyelte, csak egy fényimpulzust lát, amely "ugrott" előre az időben, gyorsabban haladva, mint c.

L. Wong úgy véli, hogy kísérlete nincs összhangban a relativitáselmélettel. A szuperluminális sebesség elérhetetlenségére vonatkozó állítás szerinte csak a nyugalmi tömegű tárgyakra vonatkozik. A fény vagy hullámok formájában ábrázolható, amelyekre a tömeg fogalma általában nem alkalmazható, vagy fotonok formájában, amelyek nyugalmi tömege, mint ismeretes, nulla. Ezért Wong szerint a fény sebessége vákuumban nem a határ. Wong azonban elismeri, hogy az általa felfedezett hatás nem teszi lehetővé c-nél nagyobb sebességű információ továbbítását.

„Az itt található információ már az impulzus élén van – mondja P. Milonni, az egyesült államokbeli Los Alamos National Laboratory fizikusa. „És azt a benyomást keltheti, mintha a fénynél gyorsabban küldené az információt, még akkor is, ha Ön nem küldik el."

A fizikusok többsége úgy véli, hogy az új munka nem mér megsemmisítő csapást az alapvető elvekre. De nem minden fizikus hiszi el, hogy a probléma megoldódott. A. Ranfagni professzor, az olasz kutatócsoport tagja, amely 2000-ben egy másik érdekes kísérletet végzett, úgy véli, hogy a kérdés még nyitott. Ez a Daniel Mugnai, Anedio Ranfagni és Rocco Ruggeri által végzett kísérlet felfedezte, hogy a centiméteres hullámú rádióhullámok normál légi körülmények között 25%-kal gyorsabban haladnak, mint a c.

Összefoglalva a következőket mondhatjuk.

Művek utóbbi években azt mutatják, hogy bizonyos feltételek mellett valóban előfordulhat szuperluminális sebesség. De mi is mozog pontosan szuperluminális sebességgel? A relativitáselmélet, mint már említettük, tiltja az ilyen sebességet az anyagi testeknél és az információt hordozó jeleknél. Ennek ellenére egyes kutatók nagyon kitartóan próbálják bizonyítani a fénysorompó leküzdését kifejezetten a jelekre. Ennek az az oka, hogy a speciális relativitáselméletben nincs szigorú matematikai indoklás (például Maxwell elektromágneses mezőre vonatkozó egyenletek alapján) a c-nél nagyobb sebességű jelek átvitelének lehetetlenségére. Az STR ilyen lehetetlensége, mondhatni tisztán aritmetikailag, Einstein sebesség-összeadási képlete alapján megállapítható, de ezt alapvetően megerősíti az ok-okozati összefüggés elve. Maga Einstein a szuperluminális jelátvitel kérdésében azt írta, hogy ebben az esetben „... kénytelenek vagyunk egy olyan jelátviteli mechanizmust lehetségesnek tekinteni, amelyben az elért cselekvés megelőzi az okot. De bár ez pusztán logikai szempontból következik. A nézet nem tartalmazza önmagát, véleményem szerint nincsenek ellentmondások, mindazonáltal annyira ellentmond egész tapasztalatunk természetének, hogy a V > c feltevés lehetetlensége kellőképpen bizonyítottnak tűnik." Az oksági elv az a sarokkő, amely a szuperluminális jelátvitel lehetetlenségének hátterében áll. És úgy tűnik, kivétel nélkül minden szuperluminális jelre irányuló keresés megbotlik e kőben, bármennyire is szeretnék a kísérletezők észlelni az ilyen jeleket, mert ilyen a mi világunk.

De mégis, képzeljük el, hogy a relativitáselmélet matematikája még mindig szuperluminális sebességgel fog működni. Ez azt jelenti, hogy elméletileg még mindig megtudhatjuk, mi történne, ha egy test túllépné a fénysebességet.

Képzeljünk el két űrhajót, amint a Földről egy csillag felé tart, amely 100 fényévnyire van a bolygónktól. Az első hajó a fénysebesség 50%-ával hagyja el a Földet, így 200 évbe telik az út befejezése. A második, hipotetikus lánchajtással felszerelt hajó 200%-os fénysebességgel fog haladni, de 100 évvel az első után. Mi fog történni?

A relativitáselmélet szerint a helyes válasz nagyban függ a megfigyelő nézőpontjától. A Földről úgy tűnik, hogy az első hajó már jelentős utat megtett, mielőtt a négyszer gyorsabban haladó második hajó utolérte. De az első hajó emberei szempontjából minden kicsit más.

A 2-es számú hajó gyorsabban mozog, mint a fény, ami azt jelenti, hogy még az általa kibocsátott fényt is felülmúlhatja. Ez egyfajta „fényhullámot” eredményez (hasonlóan a hanghullámhoz, de a levegő rezgései helyett fényhullámok rezegnek), ami több érdekes hatást eredményez. Emlékezzünk vissza, hogy a 2-es hajó fénye lassabban mozog, mint maga a hajó. Az eredmény vizuális megduplázódás lesz. Vagyis először az 1-es számú hajó legénysége látja majd, hogy a második hajó mintha a semmiből bukkant volna fel mellettük. Ekkor a második hajó fénye kis késéssel eléri az elsőt, és meglesz az eredmény látható másolat, amely kis késéssel ugyanabba az irányba fog elmozdulni.

Valami hasonló látható benne számítógépes játékok amikor egy rendszerhiba következtében a motor gyorsabban tölti be a modellt és annak algoritmusait a mozgás végpontjában, mint ahogy maga a mozgásanimáció véget ér, így többszörös felvétel történik. Valószínűleg ez az oka annak, hogy tudatunk nem érzékeli az Univerzumnak azt a hipotetikus aspektusát, amelyben a testek szuperluminális sebességgel mozognak – talán ez a legjobb.

P.S. ... de utolsó példa Valamit nem értek, miért kapcsolódik a hajó valós helyzete az „által kibocsátott fényhez”? Nos, még ha rossz helyen látják is, a valóságban meg fogja előzni az első hajót!

források

Az iskolában azt tanították nekünk, hogy a fénysebességet nem lehet túllépni, ezért az ember mozgása a világűrben nagy megoldhatatlan probléma (hogyan repüljünk a legközelebbi naprendszerbe, ha a fény ezt a távolságot csak néhány perc alatt képes megtenni Ezer év?). Talán amerikai tudósok megtalálták a módját, hogy szupersebességgel repüljenek, nemcsak csalás nélkül, hanem Albert Einstein alapvető törvényeit is követve. Mindenesetre ezt állítja a térdeformációs motor projekt szerzője, Harold White.

Mi a szerkesztőségben teljesen fantasztikusnak tartottuk a hírt, ezért ma, a kozmonautika napjának előestéjén Konstantin Kakaes riportját közöljük a Popular Science magazin számára egy fenomenális NASA-projektről, amelyen siker esetén az ember túl tud lépni. Naprendszer.

2012 szeptemberében több száz tudós, mérnök és űrrajongó gyűlt össze a csoport második nyilvános találkozóján, a 100 Year Starship néven. A csoportot Mai Jemison egykori űrhajós vezeti, és a DARPA alapította. A konferencia célja, hogy „lehetővé tegye az emberi utazást a Naprendszeren túl más csillagokhoz a következő száz éven belül”. A konferencia legtöbb résztvevője elismeri, hogy az emberes űrkutatás terén túl kicsi az előrelépés. Az elmúlt néhány negyedévben elköltött dollármilliárdok ellenére az űrügynökségek majdnem annyit tehetnek, mint az 1960-as években. Valójában a 100 Year Starship-et azért hívták össze, hogy mindezt kijavítsa.

De térjünk a lényegre. A konferencia néhány napja után a résztvevők eljutottak a legfantasztikusabb témákhoz: a szervregeneráció, a szervezett vallás problémája a hajón stb. A 100 Year Starship találkozó egyik legérdekesebb előadása a "Strain Field Mechanics 102" volt, és Harold "Sonny" White, a NASA munkatársa tartotta. Az ügynökség veteránja, White a Johnson Space Center (JSC) fejlett impulzusprogramját vezeti. Öt kollégájával együtt elkészítette a Space Propulsion Systems Roadmap-et, amely felvázolja a NASA jövőbeli űrutazási céljait. A terv mindenféle meghajtási projektet felsorol, a fejlett vegyi rakétáktól az olyan messzemenő fejlesztésekig, mint az antianyag vagy a nukleáris gépek. De White kutatási területe a legfuturisztikusabb az összes közül: az űrhajlító motorra vonatkozik.

Általában így ábrázolják az Alcubierre-buborékot

A terv szerint egy ilyen motor fénysebességet meghaladó sebességgel fog mozgást biztosítani a térben. Általánosan elfogadott, hogy ez lehetetlen, mivel ez egyértelműen megsérti Einstein relativitáselméletét. De White az ellenkezőjét állítja. Szavai alátámasztására az úgynevezett Alcubierre-buborékokra hivatkozik (Einstein elméletéből levezetett egyenletek, amelyek szerint a világűrben lévő test képes szuperluminális sebesség elérésére, ellentétben egy testtel normál körülmények között). Az előadásban kifejtette, hogyan ért el a közelmúltban olyan elméleti eredményeket, amelyek közvetlenül vezetnek egy valós térdeformációs motor megalkotásához.

Nyilvánvaló, hogy mindez teljesen fantasztikusan hangzik: az ilyen fejlesztések valódi forradalmat jelentenek, amely felszabadítja a világ összes asztrofizikusának kezét. Ahelyett, hogy 75 000 évet töltenének az Alpha Centauriba, a hozzánk legközelebbi csillagrendszerbe, az űrhajósok egy ilyen motorral szerelt hajón néhány héten belül megtehetik az utat.

Az űrsiklóprogram végére és az alacsony Föld körüli pályára tartó magánrepülések növekvő szerepére tekintettel a NASA azt állítja, hogy a nagy horderejű, sokkal merészebb tervekre összpontosít, amelyek jóval túlmutatnak a holdutakon. Ezeket a célokat csak új motorrendszerek kifejlesztésével lehet elérni – minél gyorsabb, annál jobb. Néhány nappal a konferencia után Charles Bolden, a NASA vezetője megismételte White szavait: "A fénysebességnél gyorsabban akarunk utazni, anélkül, hogy megállnánk a Marson."

HONNAN TUDUNK ERRE A MOTORRÓL

A „space warp engine” kifejezés első népszerű használata 1966-ra nyúlik vissza, amikor Jen Roddenberry kiadta a „ Star Trek" A következő 30 évben ez a motor csak ennek a tudományos-fantasztikus sorozatnak a részeként létezett. Egy Miguel Alcubierre nevű fizikus éppen akkor nézte meg a sorozat egyik epizódját, amikor az általános relativitáselméletből doktorált, és azon töprengett, hogy vajon lehetséges-e a valóságban létrehozni egy térhajlító motort. 1994-ben publikált egy dokumentumot, amely ezt az álláspontot vázolja.

Alcubierre egy buborékot képzelt el az űrben. A buborék elülső részén az idő-tér összehúzódik, hátul pedig kitágul (ahogy a fizikusok szerint az Ősrobbanáskor történt). A deformáció hatására a hajó a környező zaj ellenére simán siklik az űrben, mintha egy hullámon szörfözne. Elvileg egy deformált buborék a kívánt gyorsan mozoghat; A fénysebesség korlátai Einstein elmélete szerint csak a téridő kontextusában érvényesek, de a téridő ilyen torzulásaira nem. A buborék belsejében, ahogy Alcubierre feltételezte, a téridő nem fog változni, és az űrutazóknak sem lesz semmi baja.

Az általános relativitáselmélet Einstein-egyenleteit nehéz egy irányban megoldani, ha kitaláljuk, hogyan hajlítja meg az anyag a teret, de megvalósítható. Alcubierre ezek felhasználásával megállapította, hogy az anyag eloszlása ​​szükséges feltétele a deformált buborék létrejöttének. Az egyetlen probléma az, hogy a megoldások az anyag egy meghatározatlan formáját eredményezték, amelyet negatív energiának neveznek.

Beszélő egyszerű nyelven, a gravitáció két tárgy közötti vonzóerő. Minden tárgy, méretétől függetlenül, valamilyen vonzási erőt fejt ki a környező anyagra. Einstein szerint ez az erő a téridő görbülete. A negatív energia azonban gravitációsan negatív, azaz taszító. Ahelyett, hogy összekapcsolná az időt és a teret, a negatív energia eltaszítja és elválasztja őket. Nagyjából egy ilyen modell működéséhez Alcubierre-nek negatív energiára van szüksége a téridő kiterjesztéséhez a hajó mögött.

Annak ellenére, hogy soha senki nem mért igazán negatív energiát, a kvantummechanika szerint az létezik, és a tudósok a laboratóriumban megtanulták létrehozni. Újjáteremtésének egyik módja a Kázmér-effektus: két, egymáshoz közel elhelyezett párhuzamos vezetőlemez bizonyos mennyiségű negatív energiát hoz létre. Az Alcubierre-modell gyenge pontja, hogy hatalmas mennyiségű negatív energiát igényel, a tudósok által becsültnél több nagyságrenddel nagyobb mennyiséget lehet előállítani.

White azt mondja, hogy megtalálta a módját ennek a korlátozásnak. Egy számítógépes szimuláció során White úgy módosította a deformációs mező geometriáját, hogy elméletileg több milliószor kevesebb negatív energia felhasználásával tudjon deformált buborékot előállítani, mint az Alcubierre becslése szerint, és talán elég kevés ahhoz, hogy egy űrszonda hordozza az előállításhoz szükséges eszközöket. „A felfedezések – mondja White – Alcubierre módszerét nem praktikusról teljesen hihetőre változtatják.

JELENTÉS A WHITE'S LABBÓL

A Johnson Space Center a Houston lagúnák közelében található, kilátással a Galveston-öbölre. A központ kicsit olyan, mint egy külvárosi egyetemi kampusz, csak az űrhajósok képzését célozzák. Látogatásom napján White találkozik velem a 15-ös épületben, amely folyosók, irodák és laboratóriumok többszintes labirintusa, ahol motorteszteket végeznek. White egy Eagleworks pólóinget visel (ahogyan ő nevezi motorkísérleteit), amelyen egy futurisztikus űrhajó fölött szárnyaló sas hímzett.

White mérnökként kezdte pályafutását, egy robotcsoport részeként végzett kutatásokat. Végül ő vette át az ISS teljes robotikai szárnyának irányítását, miközben plazmafizikából doktorált. Csak 2009-ben vált érdeklődési köre a mozgás tanulmányozására, és ez a téma annyira magával ragadta, hogy ez lett a fő oka annak, hogy a NASA-hoz ment dolgozni.

"Ő meglehetősen szokatlan ember" - mondja főnöke, John Applewhite, aki a meghajtórendszerek részlegének vezetője. - Mindenképpen nagy álmodozó, ugyanakkor tehetséges mérnök. Tudja, hogyan változtassa fantáziáit valódi mérnöki termékké.” Körülbelül ugyanabban az időben, amikor csatlakozott a NASA-hoz, White engedélyt kért saját laboratóriumának megnyitására, amelyet a haladóknak szenteltek motoros rendszerek. Ő maga találta ki az Eagleworks nevet, sőt felkérte a NASA-t, hogy készítsen logót a szakterületéhez. Aztán elkezdődött ez a munka.

White az irodájába vezet, amit megoszt egy kollégájával, aki vizet keres a Holdon, majd le az Eagleworks-be. Séta közben elmeséli kérelmét, hogy nyisson egy laboratóriumot, és „hosszú, fáradságos folyamatnak nevezi, hogy megtaláljanak egy fejlett mozgást, amely segít az embernek az űr felfedezésében”.

White megmutatja nekem a tárgyat, és megmutatja annak központi funkcióját – amit ő "kvantumvákuumplazma-hajtásnak" (QVPT) nevez. Ez az eszköz úgy néz ki, mint egy hatalmas vörös bársony fánk, amelynek vezetékei szorosan körbe vannak tekeredve a mag körül. Ez a két Eagleworks kezdeményezés egyike (a másik a warp drive). Ezt is titkos fejlesztés. Amikor megkérdezem, mi az, White azt mondja, csak annyit tud mondani, hogy a technológia még a warp meghajtónál is menőbb.) A White által írt 2011-es NASA-jelentés szerint a jármű az üres térben lévő kvantumingadozásokat használja üzemanyagforrásként, ami azt jelenti, hogy a QVPT-motoros űrrepülőgéphez nincs szükség üzemanyagra.

A motor az üres tér kvantum-ingadozásait használja üzemanyagforrásként,
ami űrhajót jelent,
QVPT hajtja, nem igényel üzemanyagot.

Amikor a készülék működik, White rendszere filmszerűen tökéletesnek tűnik: a lézer színe piros, a két sugár pedig szablyaszerűen keresztezi egymást. A gyűrű belsejében négy bárium-titanátból készült kerámia kondenzátor található, amelyeket White 23 000 volton tölt. White az elmúlt két és fél évet töltötte a kísérlet fejlesztésével, és elmondása szerint a kondenzátorok hatalmas potenciális energiát mutatnak. Amikor azonban azt kérdezem, hogyan lehet létrehozni az elvetemült téridőhöz szükséges negatív energiát, elkerüli a választ. Kifejti, hogy titoktartási megállapodást írt alá, ezért részleteket nem árulhat el. Kérdezem, kivel kötötte meg ezeket a megállapodásokat. Azt mondja: „Az emberekkel. Jönnek és beszélni akarnak. Nem tudok több részletet közölni."

A MOTORÖTLET ELLENZŐI

Eddig az elvetemült utazás elmélete meglehetősen intuitív – az időt és a teret torzítja, hogy mozgó buborékot hozzon létre –, és van néhány jelentős hibája. Még ha White jelentősen csökkenti is az Alcubierre által igényelt negatív energia mennyiségét, akkor is többre lenne szükség, mint amennyit a tudósok elő tudnak állítani – mondja Lawrence Ford, a Tufts Egyetem elméleti fizikusa, aki az elmúlt 30 évben számos tanulmányt írt a negatív energia témájában. . Ford és más fizikusok szerint alapvető fizikai korlátok vannak, nem annyira a mérnöki tökéletlenségek miatt, mint az, hogy ekkora mennyiségű negatív energia nem tud sokáig egy helyen létezni.

Egy másik kihívás: A fénynél gyorsabban haladó láncgömb létrehozásához a tudósoknak negatív energiát kell generálniuk az űrhajó körül és fölött. White szerint ez nem probléma; nagyon homályosan azt válaszolja, hogy a motor nagy valószínűséggel fog működni néhány meglévő „apparátusnak köszönhetően, amely létrehozza a szükséges feltételeket" Azonban ezeknek a feltételeknek a megteremtése a hajó előtt azt jelentené, hogy állandó, a fénysebességnél gyorsabban haladó negatív energia utánpótlást biztosítanának, ami ismét ellentmond az általános relativitáselméletnek.

Végül az űrhajlati motor felvet egy fogalmi kérdést. Az általános relativitáselméletben a szuperluminális sebességgel való utazás egyenértékű az időben való utazással. Ha egy ilyen motor valódi, White létrehoz egy időgépet.

Ezek az akadályok komoly kétségekre adnak okot. "Nem hiszem, hogy az általunk ismert fizika és a fizika törvényei lehetővé teszik, hogy elhiggyük, hogy bármit is elérhet a kísérleteivel" - mondja Ken Olum, a Tufts Egyetem fizikusa, aki részt vett a 100. csillaghajó egzotikus meghajtási vitájában is. Jubileumi találkozó." Noah Graham, a Middlebury College fizikusa, aki kérésemre elolvasta White két tanulmányát, e-mailt írt nekem: "Nem látok értékes tudományos bizonyítékot, kivéve a korábbi munkáira való hivatkozásokat."

Alcubierre-nek, aki jelenleg a Mexikói Nemzeti Autonóm Egyetem fizikusa, megvannak a maga kétségei. „Még ha egy űrhajón állok is, és negatív energiám is volt, akkor sem tudtam odatenni, ahol kell” – mondja nekem telefonon a mexikóvárosi otthonából. - Nem, az ötlet varázslatos, tetszik, magam írtam. De van benne néhány komoly hiányosság, amit most, az évek során látok, és nem tudok egyetlen módot sem a javításukra.”

A SZUPER SEBESSÉG JÖVŐJE

A Johnson Science Center főkapujától balra egy Saturn V rakéta fekszik az oldalán, a fokozatai el vannak választva, hogy megmutassák belső tartalmát. Gigantikus – a sok motorja közül az egyik akkora, mint egy kisautó, maga a rakéta pedig néhány lábbal hosszabb, mint egy futballpálya. Ez persze elég beszédes bizonyítéka az űrnavigáció sajátosságainak. Ráadásul 40 éves, és az általa képviselt idő – amikor a NASA része volt egy hatalmas nemzeti tervnek, hogy embert küldjenek a Holdra – már rég elmúlt. Ma a JSC egyszerűen egy olyan hely, amely egykor nagyszerű volt, de azóta elhagyta az űr élvonalát.

Az áttörés új korszakot jelenthet a JSC és a NASA számára, és bizonyos mértékig ennek a korszaknak egy része most kezdődik. A 2007-ben felbocsátott Dawn szonda az aszteroidagyűrűt vizsgálja ionmotorok segítségével. 2010-ben a japánok üzembe helyezték az Icarust, az első bolygóközi csillaghajót, amelyet napvitorlával, egy másik kísérleti meghajtással hajtanak végre. 2016-ban pedig a tudósok azt tervezik, hogy tesztelik a VASMIR-t, egy plazmahajtású rendszert, amelyet kifejezetten az ISS nagy meghajtására fejlesztettek ki. De amikor ezek a rendszerek űrhajósokat szállíthatnak a Marsra, még mindig nem tudják őket a Naprendszeren túlra vinni. White szerint ennek eléréséhez a NASA-nak kockázatosabb projekteket kell vállalnia.

A warp drive talán a legtávolabbi törekvés a Nas mozgásprojektek létrehozására. A tudományos közösség szerint White nem tudja létrehozni. Szakértők szerint ez ellentmond a természet és a fizika törvényeinek. Ennek ellenére a NASA áll a projekt mögött. „Nem olyan magas állami szinten támogatják, mint amilyennek lennie kellene” – mondja Applewhite. - Úgy gondolom, hogy a vezetőségnek különös érdeke fűződik ahhoz, hogy munkáját folytassa; Ez egyike azoknak az elméleti elképzeléseknek, amelyek, ha sikeresek, teljesen megváltoztatják a játékot.”

Januárban White összeállította feszültség-interferométerét, és továbbment a következő célponthoz. Az Eagleworks kinőtte magát saját ház. Az új labor nagyobb, és lelkesen kijelenti, „szeizmikusan elszigetelt”, vagyis védve van a rezgésektől. De talán a legjobb dolog az új laborban (és a leglenyűgözőbb), hogy a NASA ugyanazokat a feltételeket biztosította White-nak, mint Neil Armstrongnak és Buzz Aldrinnak a Holdon. Nos, lássuk.

2011 szeptemberében Antonio Ereditato fizikus sokkolta a világot. Kijelentése forradalmasíthatja a világegyetemről alkotott felfogásunkat. Ha az OPERA Projekt 160 tudósa által összegyűjtött adatok helyesek voltak, akkor hihetetlen dolgokat figyeltek meg. A részecskék – jelen esetben a neutrínók – gyorsabban mozogtak, mint a fény. Einstein relativitáselmélete szerint ez lehetetlen. És egy ilyen megfigyelésnek hihetetlen következményei lennének. Lehet, hogy a fizika alapjait is újra kellene gondolni.

Bár Ereditato azt mondta, hogy ő és csapata „rendkívül magabiztosak” az eredményeikben, azt nem mondták, hogy az adatok teljesen pontosak. Ehelyett megkértek más tudósokat, hogy segítsenek nekik kideríteni, mi történik.

Végül kiderült, hogy az OPERA eredményei rosszak. A rosszul csatlakoztatott kábel miatt szinkronizálási probléma lépett fel, és a GPS-műholdak jelei pontatlanok voltak. Váratlan késés volt a jelzésben. Ennek eredményeként a neutrínóknak egy bizonyos távolság megtételéhez szükséges idő mérése további 73 nanoszekundumot mutatott ki: úgy tűnt, hogy a neutrínók gyorsabban haladnak, mint a fény.

A kísérlet megkezdése előtt több hónapig tartó gondos tesztelés és az adatok utólagos ellenőrzése ellenére a tudósok súlyosan tévedtek. Az Ereditato annak ellenére mondott le, hogy sokak megjegyzései szerint ilyen hibák mindig a részecskegyorsítók rendkívül összetettsége miatt fordultak elő.

Miért okozott ekkora felhajtást az a felvetés – csak a felvetés –, hogy valami gyorsabban haladhat a fénynél? Mennyire biztosak vagyunk abban, hogy ezt az akadályt semmi sem tudja legyőzni?

Nézzük először a második kérdést. A fény sebessége vákuumban 299 792,458 kilométer per másodperc – a kényelem kedvéért ezt a számot 300 000 kilométer per másodpercre kerekítjük. Elég gyors. A Nap 150 millió kilométerre van a Földtől, fénye mindössze nyolc perc húsz másodperc alatt éri el a Földet.

Bármely alkotásunk felveheti a versenyt a fénnyel? A valaha épített egyik leggyorsabb ember alkotta objektum, a New Horizons űrszonda 2015 júliusában elsuhant a Plútó és a Charon mellett. A Földhöz képest 16 km/s sebességet ért el. Sokkal kevesebb, mint 300 000 km/s.

Voltak azonban apró részecskéink, amelyek elég gyorsan mozogtak. Az 1960-as évek elején William Bertozzi az MIT-n az elektronok még nagyobb sebességre történő gyorsításával kísérletezett.

Mivel az elektronok negatív töltéssel rendelkeznek, felgyorsíthatók – pontosabban: taszíthatók –, ha ugyanazt a negatív töltést alkalmazzuk egy anyagra. Minél több energiát alkalmazunk, annál gyorsabban gyorsulnak az elektronok.

Az ember azt gondolná, hogy egyszerűen növelni kell az alkalmazott energiát, hogy elérje a 300 000 km/s-os sebességet. De kiderült, hogy az elektronok egyszerűen nem tudnak ilyen gyorsan mozogni. Bertozzi kísérletei kimutatták, hogy több energia felhasználása nem vezet egyenesen arányos elektronsebesség-növekedéshez.

Ehelyett óriási mennyiségű többletenergiát kellett alkalmazni ahhoz, hogy az elektronok sebességét csak kis mértékben is megváltoztassuk. Egyre közelebb került a fénysebességhez, de soha nem érte el.

Képzelje el, hogy kis lépésekben halad az ajtó felé, minden lépésben a jelenlegi helyzetétől az ajtóig tartó távolság felét. Szigorúan véve soha nem éred el az ajtót, mert minden egyes lépés után még mindig lesz egy távolságot megtenni. Bertozzi körülbelül ugyanezzel a problémával találkozott az elektronjaival való foglalkozás közben.

A fény azonban fotonoknak nevezett részecskékből áll. Miért tudnak ezek a részecskék fénysebességgel haladni, de az elektronok nem?

"Ahogy a tárgyak egyre gyorsabban mozognak, egyre nehezebbek lesznek – minél nehezebbek lesznek, annál nehezebben gyorsulnak, így soha nem éri el a fénysebességet" – mondja Roger Rassoul, az ausztráliai Melbourne Egyetem fizikusa. „A fotonnak nincs tömege. Ha lenne tömege, nem tudna fénysebességgel mozogni."

A fotonok különlegesek. Nemcsak tömegük nincs, ami teljes mozgásszabadságot biztosít számukra a tér vákuumában, de nem is kell gyorsítaniuk. A bennük lévő természetes energia ugyanúgy hullámokban mozog, mint ők, tehát amikor létrejönnek, már rendelkeznek velük maximális sebesség. Bizonyos szempontból könnyebb a fényt energiának tekinteni, nem pedig részecskefolyamnak, bár valójában a fény mindkettő.

A fény azonban sokkal lassabban terjed, mint azt várnánk. Bár az internetes technológusok előszeretettel beszélnek a száloptikában a "fénysebességgel" futó kommunikációról, a fény 40%-kal lassabban halad az üvegszálas optikában, mint a vákuumban.

A valóságban a fotonok 300 000 km/s sebességgel haladnak, de a fő fényhullám áthaladásakor bizonyos mértékű interferenciával találkoznak, amelyet az üvegatomok által kibocsátott egyéb fotonok okoznak. Lehet, hogy ezt nem könnyű megérteni, de legalább megpróbáltuk.

Ugyanígy az egyes fotonokkal végzett speciális kísérletek keretein belül igen hatásosan le lehetett lassítani őket. De a legtöbb esetben 300 000 lenne a megfelelő. Nem láttunk vagy építettünk semmit, ami ilyen gyorsan, vagy még gyorsabban tudna mozogni. Vannak speciális pontok, de mielőtt ezekre rátérnénk, érintsük meg a másik kérdésünket. Miért olyan fontos a fénysebesség szabályának szigorú betartása?

A válasz egy Albert Einstein nevű emberre vonatkozik, ahogy az a fizikában gyakran előfordul. Speciális relativitáselmélete az univerzális sebességkorlátozások sokféle vonatkozását tárja fel. Az elmélet egyik legfontosabb eleme az az elképzelés, hogy a fénysebesség állandó. Nem számít, hol van vagy milyen gyorsan mozog, a fény mindig azonos sebességgel mozog.

Ez azonban több fogalmi problémát is felvet.

Képzelje el azt a fényt, amely egy zseblámpából egy álló űrhajó mennyezetén lévő tükörre esik. A fény felmegy, visszaverődik a tükörről, és az űrhajó padlójára esik. Tegyük fel, hogy 10 méteres távolságot tesz meg.

Most képzelje el, hogy ez az űrhajó hatalmas, sok ezer kilométeres másodpercenkénti sebességgel kezd mozogni. Amikor bekapcsolja a zseblámpát, a fény úgy viselkedik, mint korábban: felfelé világít, nekiütközik a tükörnek és visszaverődik a padlón. De ehhez a fénynek átlós távolságot kell megtennie, nem függőlegest. Végül is a tükör most gyorsan mozog az űrhajóval együtt.

Ennek megfelelően a fény által megtett távolság növekszik. Mondjuk 5 méter. Ebből kiderül, hogy összesen 15 méter, nem 10.

És ennek ellenére, bár a távolság nőtt, Einstein elméletei azt állítják, hogy a fény továbbra is ugyanolyan sebességgel fog haladni. Mivel a sebesség a távolság osztva idővel, mivel a sebesség változatlan marad, a távolság pedig növekszik, az időnek is növekednie kell. Igen, magának az időnek el kell nyúlnia. És bár ez furcsán hangzik, kísérletileg megerősítették.

Ezt a jelenséget idődilatációnak nevezik. Az idő lassabban telik a gyorsan mozgó járművekben utazók számára, mint az állók számára.

Például az idő 0,007 másodperccel lassabban telik a Nemzetközi Űrállomás űrhajósai számára. űrállomás, amely 7,66 km/s sebességgel mozog a Földhöz képest, összehasonlítva a bolygón élő emberekkel. Még érdekesebb a helyzet az olyan részecskékkel, mint a fent említett elektronok, amelyek a fénysebességhez közel tudnak mozogni. Ezen részecskék esetében a lassulás mértéke óriási lesz.

Stephen Kolthammer, a brit Oxfordi Egyetem kísérleti fizikusa a müonoknak nevezett részecskék példájára mutat rá.

A müonok instabilak: gyorsan lebomlanak egyszerűbb részecskékre. Olyan gyorsan, hogy a legtöbb, a Napot elhagyó müonnak el kell bomlani, mire eléri a Földet. A valóságban azonban a müonok kolosszális mennyiségben érkeznek a Földre a Napból. Fizikusok hosszú ideje próbálta megérteni, miért.

„A válasz erre a rejtélyre az, hogy a müonok olyan energiával jönnek létre, hogy közel fénysebességgel haladnak” – mondja Kolthammer. „Az időérzékük, hogy úgy mondjam, a belső órájuk lassú.”

A müonok a vártnál tovább „életben maradnak” hozzánk képest, köszönhetően a valódi, természetes időeltolódásnak. Amikor az objektumok gyorsan mozognak más objektumokhoz képest, hosszuk is csökken és összehúzódik. Ezek a következmények, az idő kitágulása és a hosszcsökkenés, példák arra, hogy a téridő hogyan változik a tömeggel rendelkező dolgok mozgásától függően – én, te vagy egy űrhajó.

Ami fontos, ahogy Einstein mondta, az az, hogy a fényt nem befolyásolja, mert nincs tömege. Ezért ezek az elvek kéz a kézben járnak. Ha a dolgok a fénynél gyorsabban haladhatnának, akkor betartanák az univerzum működését leíró alapvető törvényeket. Ezek a legfontosabb alapelvek. Most beszélhetünk néhány kivételről és kivételről.

Egyrészt, bár fénynél gyorsabban nem láttunk semmit, ez nem jelenti azt, hogy ezt a sebességkorlátozást elméletileg ne lehetne túlszárnyalni nagyon konkrét körülmények között. Vegyük például magát az Univerzum tágulását. Az Univerzum galaxisai a fénysebességet jelentősen meghaladó sebességgel távolodnak el egymástól.

Egy másik érdekes helyzet azokkal a részecskékkel kapcsolatos, amelyek egyidejűleg ugyanazokkal a tulajdonságokkal rendelkeznek, függetlenül attól, hogy milyen messze vannak egymástól. Ez az úgynevezett „kvantum-összefonódás”. A foton fel-le forog, véletlenszerűen választva két lehetséges állapot között, de a spin irányának megválasztása pontosan tükröződik egy másik fotonban máshol, ha összegabalyodnak.

Két tudós, mindegyik saját fotonját tanulmányozza, ugyanabban az időben ugyanazt az eredményt kapná, gyorsabban, mint amennyit a fénysebesség megengedhet.

Mindkét példában azonban fontos megjegyezni, hogy egyetlen információ sem halad a fénysebességnél gyorsabban két objektum között. Ki tudjuk számítani az Univerzum tágulását, de a fénynél gyorsabb tárgyakat nem figyelhetjük meg benne: eltűntek a látókörből.

Ami két tudóst a fotonjaival illeti, bár egyszerre egy eredményt kaphattak, azt nem tudták gyorsabban egymás tudtára adni, mint ahogy a fény áthalad közöttük.

"Ez nem okoz problémát számunkra, mert ha a fénynél gyorsabban tudsz jeleket küldeni, akkor furcsa paradoxonokat kapsz, amelyek során az információ valahogy visszamehet az időben" - mondja Kolthammer.

Van egy másik lehetséges mód is a fénynél gyorsabb utazás technikai lehetségessé tételére: a téridő szakadásai, amelyek lehetővé teszik az utazó számára, hogy kikerülje a normál utazás szabályait.

Gerald Cleaver, a texasi Baylor Egyetem munkatársa úgy véli, hogy egy napon képesek leszünk olyan űrhajót építeni, amely gyorsabban halad, mint a fény. Ami egy féreglyukon halad keresztül. A féreglyukak olyan hurkok a téridőben, amelyek tökéletesen illeszkednek Einshein elméleteibe. Lehetővé teszik, hogy az űrhajós a világegyetem egyik végéből a másikba ugorjon a téridő anomáliáján keresztül, valamiféle kozmikus hivatkozáson keresztül.

A féreglyukon áthaladó objektum nem haladja meg a fénysebességet, de elméletileg gyorsabban érheti el célját, mint a "normál" utat bejáró fény. De a féreglyukak teljesen elérhetetlenek az űrutazás számára. Lehet-e más módszer a téridő aktív torzítására, hogy valaki máshoz képest 300 000 km/s-nál gyorsabban mozogjon?

Cleaver megvizsgálta az "Alcubierre-motor" ötletét is, amelyet Miguel Alcubierre elméleti fizikus javasolt 1994-ben. Olyan helyzetet ír le, amelyben a téridő összehúzódik az űrszonda előtt, előrenyomva azt, és kitágul mögötte, előre is tolva. „De aztán – mondja Cleaver – felmerültek a problémák: hogyan kell csinálni, és mennyi energiára lenne szükség.”

2008-ban végzős diákjával, Richard Obouzival kiszámolták, mennyi energiára lenne szükség.

"Egy 10 m x 10 m x 10 méteres – 1000 köbméteres – hajót képzeltünk el, és kiszámoltuk, hogy a folyamat elindításához szükséges energiamennyiség megegyezik a teljes Jupiter tömegével."

Ezt követően folyamatosan energiát kell „hozzáadni”, hogy a folyamat ne érjen véget. Senki sem tudja, hogy ez valaha is lehetséges lesz-e, vagy hogy fog kinézni a szükséges technológia. „Nem akarom, hogy évszázadokig úgy idézzenek, mintha olyasmit jósoltam volna, ami soha nem fog megtörténni – mondja Cleaver –, de egyelőre nem látok megoldást.

Tehát a fénysebességnél gyorsabb utazás jelenleg sci-fi marad. Eddig az egyetlen módja annak, hogy élet közben meglátogassunk egy exobolygót, ha belemerülünk a mélyen felfüggesztett animációba. És mégsem minden rossz. Legtöbbször a látható fényről beszéltünk. De a valóságban a fény sokkal több ennél. A rádióhullámoktól és a mikrohullámoktól a látható fényig, az ultraibolya sugárzásig, a röntgen- és gamma-sugárzásig, amelyet az atomok bomlás közben bocsátanak ki, ezek a gyönyörű sugarak ugyanabból a dologból: fotonokból állnak.

A különbség az energiában van, tehát a hullámhosszban. Ezek a sugarak együtt alkotják az elektromágneses spektrumot. Az a tény, hogy például a rádióhullámok fénysebességgel terjednek, hihetetlenül hasznos a kommunikációhoz.

Kutatásai során Kolthammer olyan áramkört hoz létre, amely fotonok segítségével továbbítja a jeleket az áramkör egyik részéből a másikba, így jól képzett a hihetetlen fénysebesség hasznosságának kommentálására.

„Az a tény, hogy például az internet infrastruktúráját és előtte a rádiót fényre építettük, azzal függ össze, hogy milyen könnyedséggel tudjuk azt továbbítani” – jegyzi meg. És hozzáteszi, hogy a fény az Univerzum kommunikációs erejeként működik. Amikor az elektronok benne vannak mobiltelefon rázkódni kezd, a fotonok kirepülnek, és a másik mobiltelefon elektronjai is megremegnek. Így születik egy telefonhívás. Az elektronok remegése a Napban is - hatalmas mennyiségben - fotonokat bocsát ki, amelyek természetesen fényt képeznek, hőt és, hm, fényt adva a Földön.

A fény az Univerzum univerzális nyelve. Sebessége - 299 792,458 km/s - változatlan marad. Eközben a tér és az idő alakítható. Talán nem azon kellene gondolkodnunk, hogyan haladjunk gyorsabban a fénynél, hanem arra, hogyan haladjunk gyorsabban ezen a téren és ebben az időben? Úgymond a gyökérhez menni?