Gölgeler ışıktan daha hızlı hareket edebilir ancak maddeyi veya bilgiyi taşıyamazlar

Süperluminal uçuş mümkün mü?

Bu makalenin bölümleri alt başlıklıdır ve her bölüme ayrı ayrı atıfta bulunulabilir.

Süperluminal yolculuğun basit örnekleri

1. Çerenkov etkisi

Işıküstü hızlarda hareket etmekten bahsettiğimizde, ışığın boşluktaki hızını kastediyoruz C(299.792.458 m/s). Bu nedenle Çerenkov etkisi ışıküstü hızdaki harekete bir örnek olarak değerlendirilemez.

2. Üçüncü gözlemci

Eğer roket A benden hızla uzaklaşıyor 0.6c batıya ve rokete B benden hızla uzaklaşıyor 0.6c doğuya doğru, sonra görüyorum ki aradaki mesafe A Ve B hızla artar 1.2c. Roketlerin uçuşunu izlemek A Ve B Dışarıdan bakıldığında üçüncü gözlemci, füzenin toplam uzaklaştırılma hızının, C .

Fakat bağıl hız hızların toplamına eşit değildir. Roket hızı A rokete göre B rokete olan mesafenin artma hızıdır A roket üzerinde uçan bir gözlemcinin gördüğü B. Bağıl hız, hız eklemek için göreli formül kullanılarak hesaplanmalıdır. (Bkz. Özel Görelilikte Hızları Nasıl Eklersiniz?) Bu örnekte bağıl hız yaklaşık olarak şuna eşittir: 0.88c. Yani bu örnekte süper ışık hızına ulaşamadık.

3. Işık ve gölge

Bir gölgenin ne kadar hızlı hareket edebileceğini düşünün. Lamba yakınsa, parmağınızın uzaktaki duvardaki gölgesi parmağınızın hareketinden çok daha hızlı hareket eder. Parmağınızı duvara paralel hareket ettirdiğinizde gölgenin hızı artar. Gün/gün parmağınızın hızından kat daha hızlıdır. Burada D- lambadan parmağa olan mesafe ve D- lambadan duvara. Duvar açılıysa hız daha da artacaktır. Duvar çok uzaktaysa ışığın duvara ulaşması zaman alacağından gölgenin hareketi parmağın hareketinden geride kalacaktır ancak duvar boyunca hareket eden gölgenin hızı daha da artacaktır. Gölgenin hızı ışığın hızıyla sınırlı değildir.

Işıktan daha hızlı hareket edebilen bir diğer nesne ise Ay'a yönlendirilen lazerin ışık noktasıdır. Ay'a uzaklık 385.000 km'dir. Elinizdeki lazer işaretleyicinin hafif titreşimleriyle ışık noktasının Ay yüzeyinde hareket etme hızını kendiniz hesaplayabilirsiniz. Ayrıca hafif bir açıyla düz bir kumsal çizgisine çarpan bir dalga örneğini de beğenebilirsiniz. Dalga ile kıyının kesiştiği nokta sahil boyunca hangi hızla hareket edebilir?

Bütün bunlar doğada gerçekleşebilir. Örneğin bir pulsardan gelen ışık demeti bir toz bulutu boyunca ilerleyebilir. Güçlü patlama küresel ışık veya radyasyon dalgaları oluşturabilir. Bu dalgalar herhangi bir yüzeyle kesiştiğinde o yüzeyde ışık çemberleri belirir ve ışıktan daha hızlı genişler. Bu fenomen örneğin şu durumlarda gözlemlenir: elektromanyetik nabız bir şimşek çakmasından dolayı üst atmosferden geçer.

4. Katı

Uzun ve sert bir çubuğunuz varsa ve çubuğun bir ucuna çarparsanız diğer ucu hemen hareket etmez mi? Bu, bilginin süperluminal aktarımının bir yolu değil mi?

Bu doğru olurdu eğer Tamamen katı bedenler vardı. Pratikte darbe, çubuk malzemesinin esnekliğine ve yoğunluğuna bağlı olarak çubuk boyunca ses hızında iletilir. Ek olarak, görelilik teorisi bir malzemedeki olası ses hızlarını şu değerle sınırlar: C .

Aynı prensip, bir ipi veya çubuğu dikey olarak tuttuğunuzda, serbest bıraktığınızda ve yerçekiminin etkisi altına girmeye başladığında da geçerlidir. Bıraktığınız üst uç hemen düşmeye başlar, ancak alt uç ancak bir süre sonra hareket etmeye başlayacaktır, çünkü tutma kuvvetinin ortadan kalkması malzemedeki ses hızıyla çubuktan aşağı doğru iletilir.

Göreli esneklik teorisinin formülasyonu oldukça karmaşıktır, ancak genel fikir Newton mekaniği kullanılarak açıklanabilir. İdeal elastik bir cismin boyuna hareketinin denklemi Hooke yasasından türetilebilir. Çubuğun doğrusal yoğunluğunu gösterelim ρ , Young'ın elastikiyet modülü e. Boyuna yer değiştirme X dalga denklemini karşılar

ρ d 2 X/dt 2 - Y d 2 X/dx 2 = 0

Düzlem dalga çözümü ses hızında hareket eder S formülden belirlenen s2 = Y/ρ. Dalga denklemi ortamdaki bozuklukların hızdan daha hızlı hareket etmesine izin vermez S. Ayrıca görelilik teorisi esnekliğin büyüklüğüne de bir sınır verir: e< ρc 2 . Pratikte bilinen hiçbir malzeme bu sınıra yaklaşamaz. Ayrıca ses hızının yakın olsa bile lütfen unutmayın. C o zaman maddenin kendisinin mutlaka göreli bir hızda hareket etmesi gerekmez.

Doğada katı cisimler bulunmamakla birlikte, katı cisimlerin hareketiışık hızının üstesinden gelmek için kullanılabilir. Bu konu, daha önce açıklanan gölgeler ve açıktonlar bölümüyle ilgilidir. (Bkz. Süperluminal Makas, Görelilikte Sert Dönen Disk).

5. Faz hızı

Dalga denklemi
d 2 u/dt 2 - c 2 d 2 u/dx 2 + w 2 sen = 0

şeklinde bir çözümü var
u = A cos(ax - bt), c 2 a 2 - b 2 + w 2 = 0

Bunlar v hızıyla yayılan sinüs dalgalarıdır.
v = b/a = sqrt(c 2 + w 2 /a 2)

Ama c'den fazla. Belki takyonların denklemi budur? (ilerideki bölüme bakın). Hayır, bu kütlesi olan bir parçacık için sıradan bir göreli denklemdir.

Paradoksu ortadan kaldırmak için "faz hızı" arasında ayrım yapmanız gerekir. v ph ve "grup hızı" v gr ve
v ph ·v gr = c 2

Dalga çözümü frekans dağılımına sahip olabilir. Bu durumda dalga paketi daha düşük bir grup hızıyla hareket eder. C. Bir dalga paketi kullanılarak bilgi yalnızca grup hızında iletilebilir. Bir dalga paketindeki dalgalar faz hızıyla hareket eder. Faz hızı, mesajları iletmek için kullanılamayan ışık üstü hareketin bir başka örneğidir.

6. Süperluminal galaksiler

7. Göreli roket

Dünyadaki bir gözlemcinin belirli bir hızla uzaklaşan bir uzay gemisini görmesine izin verin 0.8c Uyarınca görecelilik teorisi uzay gemisindeki saatin 5/3 kat daha yavaş çalıştığını görecektir. Gemiye olan mesafeyi, gemi saatine göre uçuş süresine bölersek hızı elde ederiz. 4/3c. Gözlemci, geminin pilotunun, gemideki saatini kullanarak süper ışık hızında uçtuğunu da belirleyeceği sonucuna varır. Pilotun bakış açısından saati normal çalışıyor ancak yıldızlararası uzay 5/3 kat küçüldü. Bu nedenle yıldızlar arasında bilinen mesafeleri daha hızlı, daha yüksek bir hızla uçar. 4/3c .

Ancak bu yine de ışık ötesi uçuş değil. Farklı referans sistemlerinde tanımlanan mesafe ve zamanı kullanarak hızı hesaplayamazsınız.

8. Yer çekimi hızı

Bazıları yer çekimi hızının çok daha yüksek olduğu konusunda ısrar ediyor C hatta sonsuzdur. Yerçekimi Işık Hızında mı Yol Alır? ve Yerçekimi Radyasyonu Nedir? Yerçekimi bozuklukları ve yerçekimsel dalgalar hızla yayılır C .

9. EPR paradoksu

10. Sanal fotonlar

11. Kuantum tüneli etkisi

Kuantum mekaniğinde tünel etkisi, bir parçacığın yeterli enerjiye sahip olmasa bile bir engeli aşmasına olanak tanır. Böyle bir bariyerden tünel açma süresini hesaplamak mümkündür. Ve ışığın aynı mesafeyi hızla kat etmesi için gerekenden daha az olduğu ortaya çıkabilir. C. Bu, mesajları ışıktan daha hızlı iletmek için kullanılabilir mi?

Kuantum elektrodinamiği "Hayır!" diyor Ancak tünel etkisi kullanılarak bilginin süperluminal iletimini gösteren bir deney yapıldı. 11,4 cm genişliğindeki bariyeri 4,7 hızla aşarak C Mozart'ın Kırkıncı Senfonisi transfer edildi. Bu deneyin açıklaması oldukça tartışmalıdır. Çoğu fizikçi tünel etkisinin iletim için kullanılamayacağına inanıyor. bilgiışıktan daha hızlı. Eğer bu mümkün olsaydı, o zaman neden ekipmanı hızla hareket eden bir referans çerçevesine yerleştirerek sinyali geçmişe iletmiyorsunuz?

17. Kuantum alan teorisi

Yerçekimi dışında gözlemlenen tüm fiziksel olaylar Standart Modele karşılık gelir. Standart Model, bilinen tüm parçacıkların yanı sıra elektromanyetik ve nükleer etkileşimleri de açıklayan göreli bir kuantum alan teorisidir. Bu teoride, uzay benzeri bir olay aralığı ile ayrılan fiziksel gözlemlenebilirlere karşılık gelen herhangi bir operatör çifti "değişir" (yani, bu operatörlerin sırası değiştirilebilir). Prensip olarak bu, standart modelde bir etkinin ışıktan daha hızlı ilerleyemeyeceği anlamına gelir ve bu, sonsuz enerji argümanının kuantum alan eşdeğeri olarak düşünülebilir.

Ancak Standart Modelin kuantum alan teorisine dair kusursuz derecede kesin bir kanıt yoktur. Henüz hiç kimse bu teorinin kendi içinde tutarlı olduğunu kanıtlayamadı. Büyük olasılıkla durum böyle değil. Her durumda, süperluminal seyahat yasağına uymayan henüz keşfedilmemiş parçacıkların veya kuvvetlerin bulunmadığının garantisi yoktur. Bu teorinin yerçekimi ve genel göreliliği de içeren bir genellemesi de yoktur. Kuantum yerçekimi alanında çalışan birçok fizikçi, nedensellik ve yerellik hakkındaki basit fikirlerin genelleşeceğinden şüphe ediyor. Gelecekteki daha eksiksiz bir teoride ışık hızının nihai hız anlamını koruyacağının garantisi yoktur.

18. Büyükbaba Paradoksu

Özel görelilikte, bir referans çerçevesinde ışıktan daha hızlı hareket eden bir parçacık, başka bir referans çerçevesinde zamanda geriye doğru gider. FTL seyahati veya bilgi aktarımı, geçmişe seyahat etmeyi veya mesaj göndermeyi mümkün kılacaktır. Eğer böyle bir zaman yolculuğu mümkün olsaydı, büyükbabanızı öldürerek zamanda geriye gidebilir ve tarihin akışını değiştirebilirsiniz.

Bu, süperluminal yolculuk olasılığına karşı çok ciddi bir argümandır. Doğru, sınırlı bir ışık ötesi yolculuğun mümkün olması ve geçmişe dönüşün engellenmesi neredeyse inanılması güç bir olasılık olarak varlığını sürdürüyor. Ya da belki zamanda yolculuk mümkündür ancak nedensellik tutarlı bir şekilde ihlal edilmektedir. Bunların hepsi çok uzak ihtimal ama eğer süper ışık yolculuğunu tartışıyorsak, yeni fikirlere hazırlıklı olmak daha iyidir.

Bunun tersi de doğrudur. Zamanda geriye yolculuk yapabilseydik ışık hızını aşabilirdik. Zamanda geriye gidebilir, bir yere düşük hızda uçabilir ve her zamanki gibi gönderilen ışık gelmeden oraya varabilirsiniz. Bu konuyla ilgili ayrıntılar için Zaman Yolculuğu'na bakın.

Işıktan hızlı yolculuk hakkında açık sorular

Bu son bölümde, olası ışıktan hızlı yolculuk hakkında bazı ciddi fikirleri anlatacağım. Bu konular genellikle SSS'ye dahil edilmez çünkü yanıtlara daha az ve daha çok yeni sorulara benziyorlar. Bu yönde ciddi araştırmaların yapıldığını göstermek için buraya dahil edildiler. Konuya ilişkin yalnızca kısa bir giriş yapılmıştır. Detayları internette bulabilirsiniz. İnternetteki her şeyde olduğu gibi onları da eleştirin.

19. Takyonlar

Takyonlar, yerel olarak ışıktan daha hızlı hareket eden varsayımsal parçacıklardır. Bunu yapabilmek için hayali bir kütleye sahip olmaları gerekir. Üstelik takyonun enerjisi ve momentumu gerçek niceliklerdir. Süperluminal parçacıkların tespit edilemeyeceğine inanmak için hiçbir neden yoktur. Gölgeler ve parlak noktalar ışıktan daha hızlı hareket edebilir ve tespit edilebilir.

Şu ana kadar takyonlar bulunamadı ve fizikçiler bunların varlığından şüphe ediyor. Trityumun beta bozunması tarafından üretilen nötrinoların kütlesini ölçmeye yönelik deneylerde, nötrinoların takyon olduğu iddiaları olmuştur. Bu şüphelidir, ancak henüz kesin olarak yalanlanmamıştır.

Takyon teorisinde sorunlar var. Takyonlar, muhtemelen nedenselliği bozmanın yanı sıra, boşluğu kararsız hale de getirir. Bu zorlukların üstesinden gelmek mümkün olabilir, ancak o zaman bile takiyonları süperluminal mesaj iletimi için kullanamayacağız.

Çoğu fizikçi, teoride takyonların ortaya çıkmasının bu teorideki bazı sorunların işareti olduğuna inanıyor. Takyon fikri halk arasında bu kadar popüler çünkü bilim kurgu literatüründe sıklıkla bahsediliyor. Takyonlara bakın.

20. Solucan delikleri

Küresel ışık ötesi yolculuğun en ünlü yöntemi solucan deliklerinin kullanılmasıdır. Solucan deliği, evrenin bir noktasından diğerine uzay-zamanda bir kesintidir ve deliğin bir ucundan diğerine normal yoldan daha hızlı seyahat etmenizi sağlar. Solucan delikleri genel görelilik teorisi tarafından tanımlanır. Bunları oluşturmak için uzay-zamanın topolojisini değiştirmeniz gerekir. Belki bu, kuantum kütleçekim teorisi çerçevesinde mümkün hale gelecektir.

Bir solucan deliğini açık tutmak için uzayda negatif enerjiye sahip alanlara ihtiyacınız vardır. C.W.Misner ve K.S.Thorne, negatif enerji yaratmak için Casimir etkisinin geniş ölçekte kullanılmasını önerdi. Visser bunun için kozmik sicimlerin kullanılmasını önerdi. Bunlar çok spekülatif fikirler ve mümkün olmayabilir. Belki de negatif enerjiye sahip egzotik maddenin gerekli formu mevcut değildir.

Eylül 2011'de fizikçi Antonio Ereditato tüm dünyayı şok etti. Yaptığı açıklama, evrene dair tüm anlayışta devrim yaratacağını vaat ediyordu. OPERA programına katılan 160 bilim insanının topladığı veriler doğruysa inanılmaz bir şeyin keşfedildiği anlamına geliyordu. Parçacıklar, yani nötrinolar, ışık hızından daha hızlı hareket ediyordu.

İnanılmaz keşif

Einstein'ın görelilik teorilerine göre bunun olmaması gerekir. Ve bunun gerçekleştiğini göstermenin sonuçları çok büyük olacaktır. Fizikteki birçok noktanın revize edilmesi gerekecekti. Ereditato ve ekibi ise bulduklarına yüksek düzeyde güven duyduklarını bildirirken, gözlemlerinin doğruluğundan yüzde yüz emin olduklarını söylemediler. Hatta diğer bilim adamlarından, olup biteni anlamalarına yardımcı olmalarını istediler.

Denemede hata

Sonuç olarak OPERA programının hatalı olduğu ortaya çıktı. Okumaların zamanlanmasıyla ilgili sorun, GPS uydularından inanılmaz derecede doğru sinyaller iletmesi gereken kablonun zayıf bağlanmasından kaynaklanıyordu. Buna bağlı olarak sinyal iletiminde beklenmeyen bir gecikme yaşandı. Bu nedenle, bir nötrinonun belirli bir mesafeyi kat etmesinin ne kadar sürdüğüne ilişkin ölçümlerde yaklaşık 73 nanosaniyelik bir hata oluştu. Bu, bu parçacıkların ışık parçacıklarından daha hızlı hareket ettiğini ortaya çıkardı.

Sonuçlar

Deney başlamadan önce aylarca süren dikkatli testlere rağmen, çok sayıda Deney sırasında elde edilen bilgilerin tekrar tekrar kontrol edilmesi üzerine bilim adamları bu kez hala yanıldılar. Ereditato istifa etti, ancak birçok kişi parçacık hızlandırıcıların son derece karmaşık teknolojisinde bu tür hataların oldukça sık meydana geldiğini belirtti. Peki bir şeyin ışık hızından daha hızlı hareket edebileceğine dair en küçük bir iddia bile neden bu kadar önemli? Ve insanlar hiçbir şeyin bunu yapamayacağından gerçekten eminler mi?

Işık hızı

Önce bu sorulardan ikincisine bakalım. Işığın boşluktaki hızı saniyede 299.792.458 kilometredir; bu, saniyede 300 bin kilometrelik güzel yuvarlak rakamın biraz altında. Çok hızlı. Güneş Dünya'dan 150 milyon kilometre uzaktadır ve ışığın bu yolu kat etmesi yalnızca sekiz dakika yirmi saniye sürer. İnsan tarafından yapılan herhangi bir şey ışıkla rekabet edebilir mi? İnsanoğlunun şimdiye kadar yarattığı en hızlı nesnelerden biri, 2015 yılında Plüton ve Charon'un yanından geçen New Horizons uzay sondasıdır. Ulaşabildiği maksimum hız saniyede 16 kilometreydi, yani saniyede 300 bin kilometreden çok daha azdı.

Elektron deneyi

Ancak insanlar küçük parçacıkların çok daha yüksek hızlarda hareket etmesini sağlamayı başardılar. Altmışlı yılların başında, Massachusetts Teknoloji Enstitüsü'nden William Bertozzi, hızlanan elektronlarla deneyler yaptı. Elektronlar negatif yüke sahip olduğundan, malzemenin aynı yük ile yüklenmesi durumunda onları itme yoluyla harekete geçirmek mümkündür. Ne kadar çok enerji kullanılırsa elektronlar o kadar hızlı hale geldi.

Neden maksimum enerji uygulamıyorsunuz?

Uygulanan enerjiyi, parçacık hızının saniyede gerekli 300 bin kilometreye çıkmasını sağlayacak kadar arttırmanın yeterli olduğu düşünülebilir. Ancak elektronların bu kadar hızlı hareket edemediği ortaya çıktı. Bertozzi'nin deneyleri, daha fazla enerji kullanmanın elektronların hızında orantılı bir artış yaratmadığını gösterdi. Parçacık hızında giderek azalan artışlar elde etmek için giderek daha fazla enerji uygulamak zorundaydı. Işık hızına giderek yaklaştılar ama asla ulaşamadılar.

Başarının imkansızlığı

Adımlar atarak kapıya doğru yürümeniz gerektiğini düşünün, ancak sonraki her adım bir öncekinin yarısı kadar olacaktır. Basitçe söylemek gerekirse, asla kapıya ulaşamazsınız, çünkü sonraki her adımda sizinle kapı arasında hala belirli bir mesafe olacaktır. Bertozzi'nin elektronlarla yaptığı deneyinde karşılaştığı sorun tam olarak budur. Ancak ışık foton adı verilen parçacıklardan oluşur. Eğer elektronlar göreve hazır değilse bu parçacıklar neden ışık hızında hareket edebiliyor?

Fotonların özellikleri

Bir cisim hızlandıkça daha da ağırlaşır, dolayısıyla hız kazanması zorlaşır ve bu nedenle hiçbir zaman ışık hızına ulaşamaz. Fotonların kütlesi yoktur. Eğer kütleleri olsaydı ışık hızında hareket edemezlerdi. Fotonlar benzersiz parçacıklardır. Kütleleri yoktur, bu da onlara sınırsız olanaklar boşlukta hareket ederken hızlanmalarına gerek yoktur. Dalgalar halinde hareket ederken sahip oldukları doğal enerji, fotonların yaratılış anında hız limitlerine ulaşmasını sağlar.

25 Mart 2017

FTL seyahati uzay bilim kurgusunun temellerinden biridir. Bununla birlikte, muhtemelen herkes - hatta fizikten uzak insanlar bile - maddi nesnelerin mümkün olan maksimum hareket hızının veya herhangi bir sinyalin yayılmasının, ışığın boşluktaki hızı olduğunu biliyor. C harfiyle gösterilir ve saniyede neredeyse 300 bin kilometredir; kesin değer c = 299,792,458 m/s.

Işığın boşluktaki hızı temel fiziksel sabitlerden biridir. c'yi aşan hızlara ulaşmanın imkansızlığı Einstein'ın özel görelilik teorisinden (STR) kaynaklanmaktadır. Eğer sinyallerin süper ışık hızlarında iletilmesinin mümkün olduğu kanıtlanabilseydi, görelilik teorisi çökerdi. C'den daha büyük hızların varlığına ilişkin yasağı çürütmek için yapılan sayısız girişime rağmen, şu ana kadar bu gerçekleşmedi. Ancak son deneysel çalışmalar bazı çok şeyi ortaya çıkardı. ilginç olaylar, özel olarak oluşturulmuş koşullar altında ışık üstü hızları gözlemlemenin mümkün olduğunu ve aynı zamanda görelilik teorisinin ilkelerinin ihlal edilmediğini belirtir.

Başlangıç ​​olarak ışık hızı problemiyle ilgili ana hususları hatırlayalım.

Öncelikle: Işık sınırını aşmak (normal şartlarda) neden imkansızdır? Çünkü o zaman dünyamızın temel yasası ihlal edilir - sonucun nedenden önce gelemeyeceğine göre nedensellik yasası. Mesela bir ayının önce öldüğünü, sonra avcının vurduğunu hiç kimse gözlemlemedi. C'yi aşan hızlarda olayların sırası tersine döner, zaman bandı geri sarılır. Bunu aşağıdaki basit mantıkla doğrulamak kolaydır.

Işıktan hızlı hareket eden bir tür uzay mucizesi gemisinde olduğumuzu varsayalım. Daha sonra yavaş yavaş kaynağın daha erken ve daha erken bir zamanda yaydığı ışığa yetişirdik. İlk olarak, örneğin dün yayılan fotonları yakalardık, sonra dünden önceki gün yayılanları, sonra bir hafta, bir ay, bir yıl önce vb. yayılanları yakalardık. Işık kaynağı yaşamı yansıtan bir ayna olsaydı, önce dünün olaylarını, sonra dünden önceki günü vb. görürdük. Mesela yaşlı bir adamın yavaş yavaş orta yaşlı bir adama, sonra genç bir adama, bir delikanlıya, bir çocuğa dönüştüğünü görebiliyorduk... Yani zaman geri dönecek, şimdiki zamandan şimdiki zamana geçecektik. geçmiş. O zaman nedenler ve sonuçlar yer değiştirecektir.

Her ne kadar bu tartışma, ışığı gözlemleme sürecinin teknik ayrıntılarını tamamen göz ardı etse de, temel bir bakış açısıyla, süper ışık hızlarındaki hareketin dünyamızda imkansız olan bir duruma yol açtığını açıkça göstermektedir. Bununla birlikte, doğa daha da katı koşullar belirlemiştir: yalnızca süper ışık hızında hareket etmek değil, aynı zamanda ışık hızına eşit bir hızda hareket etmek de imkansızdır - ona ancak yaklaşılabilir. Görelilik teorisine göre, hareket hızı arttığında üç durum ortaya çıkar: Hareket eden bir nesnenin kütlesi artar, hareket yönündeki boyutu azalır ve bu nesne üzerindeki zamanın akışı yavaşlar (noktadan itibaren). harici bir "dinlenme" gözlemcisinin görüşü). Sıradan hızlarda, bu değişiklikler ihmal edilebilir düzeydedir, ancak ışık hızına yaklaştıkça giderek daha fazla fark edilir hale gelirler ve sınırda - c'ye eşit bir hızda - kütle sonsuz büyüklükte olur, nesne yöndeki boyutunu tamamen kaybeder. hareket eder ve zaman onun üzerinde durur. Bu nedenle hiçbir maddi cisim ışık hızına ulaşamaz. Yalnızca ışığın kendisi böyle bir hıza sahiptir! (Ayrıca "herşeye nüfuz eden" bir parçacık - foton gibi c'den daha düşük bir hızda hareket edemeyen bir nötrino.)

Şimdi sinyal iletim hızı hakkında. Burada ışığın elektromanyetik dalgalar biçimindeki temsilinin kullanılması uygundur. Sinyal nedir? Bu iletilmesi gereken bazı bilgilerdir. Mükemmel elektromanyetik dalga- bu kesinlikle tek bir frekansa sahip sonsuz bir sinüzoiddir ve herhangi bir bilgi taşıyamaz çünkü böyle bir sinüzoidin her periyodu bir öncekini tam olarak tekrarlar. Sinüs dalgası fazının hareket hızı (faz hızı olarak da adlandırılır), belirli koşullar altında ışığın ortamdaki boşluktaki hızını aşabilir. Faz hızı sinyalin hızı olmadığından burada herhangi bir kısıtlama yoktur - henüz mevcut değildir. Bir sinyal oluşturmak için dalganın üzerinde bir tür "işaret" yapmanız gerekir. Böyle bir işaret, örneğin dalga parametrelerinden herhangi birinde (genlik, frekans veya başlangıç ​​​​fazı) bir değişiklik olabilir. Ancak işaret konulduğu anda dalga sinüzoidalliğini kaybeder. Farklı genliklere, frekanslara ve başlangıç ​​aşamalarına sahip bir dizi basit sinüs dalgasından (bir grup dalga) oluşan modüle edilmiş hale gelir. İşaretin modüle edilmiş dalgada hareket ettiği hız, sinyalin hızıdır. Bir ortamda yayılırken, bu hız genellikle yukarıda bahsedilen dalga grubunun bir bütün olarak yayılmasını karakterize eden grup hızıyla çakışır (bkz. "Bilim ve Yaşam" No. 2, 2000). Normal koşullar altında grup hızı ve dolayısıyla sinyal hızı, ışığın boşluktaki hızından daha düşüktür. Burada "normal koşullar altında" ifadesinin kullanılması tesadüf değildir, çünkü bazı durumlarda grup hızı c'yi aşabilir, hatta anlamını kaybedebilir, ancak bu durumda sinyal yayılımını ifade etmez. Servis istasyonu, c'den daha yüksek bir hızda sinyal iletmenin imkansız olduğunu tespit eder.

Bu neden böyle? Çünkü herhangi bir sinyalin c'den daha büyük bir hızda iletilmesinin önündeki engel aynı nedensellik yasasıdır. Böyle bir durumu hayal edelim. A noktasında, bir ışık parlaması (olay 1), belirli bir radyo sinyali gönderen cihazı açar ve uzak bir B noktasında, bu radyo sinyalinin etkisi altında bir patlama meydana gelir (olay 2). Olay 1'in (parlama) neden olduğu, olay 2'nin (patlama) ise nedenden sonra meydana gelen sonuç olduğu açıktır. Ancak radyo sinyali süper ışık hızında yayılırsa, B noktasına yakın bir gözlemci önce bir patlamayı, sonra da kendisine bir ışık parlaması hızıyla ulaşan patlamanın nedenini görecektir. Yani bu gözlemci için 2. olay, 1. olaydan daha önce meydana gelmiş, yani sonuç nedenden önce gelmiş olacaktır.

Görelilik teorisinin “süper ışık yasağının” yalnızca maddi cisimlerin hareketine ve sinyallerin iletimine dayatıldığını vurgulamak yerinde olur. Çoğu durumda herhangi bir hızda hareket etmek mümkündür ancak bu, maddi nesnelerin veya sinyallerin hareketi olmayacaktır. Örneğin, biri yatay olarak yerleştirilmiş, diğeri küçük bir açıyla kesişen, aynı düzlemde uzanan oldukça uzun iki cetveli hayal edin. Birinci cetvel yüksek hızla aşağı doğru (okla gösterilen yönde) hareket ettirilirse cetvellerin kesişme noktasının istenildiği kadar hızlı koşması sağlanabilir ancak bu nokta maddi bir cisim değildir. Başka bir örnek: Bir el feneri (veya dar bir ışın üreten bir lazer) alırsanız ve hızlı bir şekilde havada bir yay çizerseniz, o zaman doğrusal hız Işık huzmesi mesafeyle birlikte artacak ve yeterince büyük bir mesafede c'yi aşacaktır. Işık noktası A ve B noktaları arasında ışık üstü hızda hareket edecektir, ancak bu A'dan B'ye bir sinyal iletimi olmayacaktır çünkü böyle bir ışık noktası A noktası hakkında herhangi bir bilgi taşımamaktadır.

Görünüşe göre süper ışık hızları sorunu çözülmüş. Ancak yirminci yüzyılın 60'lı yıllarında teorik fizikçiler, takyon adı verilen süperluminal parçacıkların varlığına dair hipotezi öne sürdüler. Bunlar çok tuhaf parçacıklar: Teorik olarak mümkünler, ancak görelilik teorisiyle çelişkileri önlemek için onlara hayali bir hareketsiz kütle atanması gerekiyordu. Fiziksel olarak hayali kütle yoktur; tamamen matematiksel bir soyutlamadır. Bununla birlikte, takyonlar hareketsiz olamayacağı için bu pek fazla alarma neden olmadı - sadece boşlukta ışık hızını aşan hızlarda var olurlar (eğer varsa!) ve bu durumda takyon kütlesinin gerçek olduğu ortaya çıkar. Burada fotonlarla bazı benzerlikler var: Bir fotonun sıfır durgun kütlesi vardır, ancak bu basitçe fotonun hareketsiz olamayacağı anlamına gelir; ışık durdurulamaz.

En zor şeyin, tahmin edileceği gibi, takiyon hipotezini nedensellik yasasıyla uzlaştırmak olduğu ortaya çıktı. Bu yönde yapılan girişimler oldukça ustaca olmasına rağmen bariz bir başarıya yol açmadı. Takyonları deneysel olarak da hiç kimse kaydetmeyi başaramadı. Sonuç olarak, süperluminal temel parçacıklar olarak takyonlara olan ilgi yavaş yavaş azaldı.

Ancak 60'lı yıllarda, başlangıçta fizikçilerin kafasını karıştıran bir fenomen deneysel olarak keşfedildi. Bu, A. N. Oraevsky'nin “Güçlendirilmiş medyada süper ışık dalgaları” (UFN No. 12, 1998) makalesinde ayrıntılı olarak açıklanmaktadır. Burada konunun özünü kısaca özetleyerek, detaylarıyla ilgilenen okuyucuyu belirtilen yazıya yönlendireceğiz.

Lazerlerin keşfinden kısa bir süre sonra - 60'ların başında - kısa (yaklaşık 1 ns = 10-9 s süren) yüksek güçlü ışık darbelerinin elde edilmesi sorunu ortaya çıktı. Bunu yapmak için, bir optik kuantum amplifikatöründen kısa bir lazer darbesi geçirildi. Darbe, ışın bölücü bir ayna tarafından iki parçaya bölündü. Bunlardan daha güçlü olan biri amplifikatöre gönderildi ve diğeri havada yayıldı ve amplifikatörden geçen darbenin karşılaştırılabileceği bir referans darbesi olarak görev yaptı. Her iki darbe de fotodetektörlere beslendi ve bunların çıkış sinyalleri osiloskop ekranında görsel olarak gözlemlendi. Amplifikatörden geçen ışık darbesinin referans darbeye kıyasla bir miktar gecikme yaşaması, yani amplifikatördeki ışığın yayılma hızının havadakinden daha az olması bekleniyordu. Darbenin amplifikatörde yalnızca havadakinden daha yüksek bir hızda değil, aynı zamanda vakumdaki ışığın hızından birkaç kat daha yüksek bir hızda yayıldığını keşfettiklerinde araştırmacıların şaşkınlığını bir düşünün!

İlk şoku atlatan fizikçiler, böylesine beklenmedik bir sonucun nedenini aramaya başladı. Özel görelilik teorisinin ilkeleri hakkında hiç kimsenin en ufak bir şüphesi bile yoktu ve doğru açıklamanın bulunmasına yardımcı olan da buydu: SRT'nin ilkeleri korunursa, o zaman cevap, yükseltici ortamın özelliklerinde aranmalıdır.

Burada ayrıntılara girmeden sadece şunu belirtmekle yetineceğiz: detaylı analiz güçlendirici ortamın etki mekanizması durumu tamamen açıklığa kavuşturdu. Önemli olan, darbe yayılımı sırasında foton konsantrasyonundaki bir değişiklikti; bu değişiklik, ortamın kazancındaki bir değişikliğin neden olduğu bir değişiklikti. olumsuz değer darbenin arka kısmının geçişi sırasında, ortam zaten enerjiyi emdiğinde, çünkü ışık darbesine aktarılması nedeniyle kendi rezervi zaten tükenmiştir. Emilim, dürtünün artmasına değil, zayıflamasına neden olur ve böylece dürtü ön kısımda güçlenir, arka kısımda zayıflar. Amplifikatör ortamında ışık hızında hareket eden bir cihaz kullanarak bir darbe gözlemlediğimizi hayal edelim. Ortam şeffaf olsaydı, dürtünün hareketsizlik içinde donduğunu görürdük. Yukarıda bahsedilen sürecin gerçekleştiği ortamda, darbenin ön kenarının güçlenmesi ve arka kenarının zayıflaması, gözlemciye ortamın darbeyi ileriye doğru hareket ettirdiği gibi görünecektir. Ancak cihaz (gözlemci) ışık hızında hareket ettiğinden ve dürtü onu geçtiğinden, dürtü hızı ışık hızını aşıyor! Deneyciler tarafından kaydedilen bu etkidir. Ve burada aslında görelilik teorisiyle hiçbir çelişki yok: Amplifikasyon süreci basitçe öyle ki, daha önce ortaya çıkan fotonların konsantrasyonu, daha sonra ortaya çıkanlardan daha büyük çıkıyor. Süperluminal hızlarda hareket eden fotonlar değil, bir osiloskopta gözlemlenen darbe zarfı, özellikle de maksimumudur.

Bu nedenle, sıradan ortamlarda her zaman ışığın zayıflaması ve kırılma indisi tarafından belirlenen hızında bir azalma olurken, aktif lazer ortamda yalnızca ışığın artması değil, aynı zamanda ışık üstü hızda bir darbenin yayılması da vardır.

Bazı fizikçiler tünel etkisi sırasında süperluminal hareketin varlığını deneysel olarak kanıtlamaya çalıştılar. inanılmaz fenomen kuantum mekaniğinde. Bu etki, bir mikropartikülün (daha doğrusu bir mikronesnenin) farklı koşullar hem bir parçacığın hem de bir dalganın özelliklerini sergileyen) sözde potansiyel bariyeri geçme yeteneğine sahiptir - klasik mekanikte tamamen imkansız bir olay (bunun analogu şu durumdur: duvara atılan bir top). duvarın diğer tarafına geçecektir veya duvara bağlı dalga benzeri hareket veren bir ip, diğer taraftaki duvara bağlanan bir ipe iletilecektir). Kuantum mekaniğinde tünel etkisinin özü aşağıdaki gibidir. Belirli bir enerjiye sahip bir mikro nesne, yolu üzerinde, mikro nesnenin enerjisini aşan potansiyel enerjiye sahip bir alanla karşılaşırsa, bu alan onun için bir bariyer görevi görür ve yüksekliği enerji farkına göre belirlenir. Ancak mikro nesne bariyerden "sızıyor"! Bu olasılık ona, etkileşimin enerjisi ve zamanı için yazılmış, iyi bilinen Heisenberg belirsizlik ilişkisi tarafından verilmiştir. Bir mikro nesnenin bir bariyerle etkileşimi oldukça belirli bir süre boyunca meydana gelirse, mikro nesnenin enerjisi tam tersine belirsizlikle karakterize edilecektir ve eğer bu belirsizlik bariyerin yüksekliği düzeyindeyse o zaman mikro nesnenin enerjisi belirsizlikle karakterize edilecektir. ikincisi, mikro nesne için aşılmaz bir engel olmaktan çıkar. C'yi aşabileceğine inanan bir dizi fizikçinin araştırma konusu haline gelen, potansiyel bariyerden geçme hızıdır.

Haziran 1998'de Köln'de, Berkeley, Viyana, Köln ve Floransa'daki dört laboratuvarda elde edilen sonuçların tartışıldığı süperlüminal hareket sorunları üzerine uluslararası bir sempozyum düzenlendi.

Ve son olarak, 2000 yılında süperluminal yayılmanın etkilerinin ortaya çıktığı iki yeni deney hakkında raporlar ortaya çıktı. Bunlardan biri, Princeton Araştırma Enstitüsü'ndeki (ABD) Lijun Wong ve meslektaşları tarafından gerçekleştirildi. Bunun sonucu, sezyum buharıyla dolu bir odaya giren ışık darbesinin hızını 300 kat arttırmasıdır. Nabzın ana kısmının, nabız ön duvardan odaya girdiğinden bile önce odanın uzak duvarından çıktığı ortaya çıktı. Bu durum sadece sağduyuya değil, esas itibariyle görelilik teorisine de aykırıdır.

L. Wong'un mesajı, çoğu elde edilen sonuçlarda görelilik ilkelerinin ihlal edildiğini görmeye meyilli olmayan fizikçiler arasında yoğun tartışmalara neden oldu. Onlara göre asıl zorluk bu deneyi doğru bir şekilde açıklamaktır.

L. Wong'un deneyinde, sezyum buharının bulunduğu odaya giren ışık atımının süresi yaklaşık 3 μs idi. Sezyum atomları, "temel durumun aşırı ince manyetik alt seviyeleri" olarak adlandırılan on altı olası kuantum mekaniksel durumda mevcut olabilir. Optik lazer pompalama kullanılarak neredeyse tüm atomlar bu on altı durumdan yalnızca birine getirildi; bu, Kelvin ölçeğinde (-273,15 ° C) neredeyse mutlak sıfır sıcaklığa karşılık geliyor. Sezyum odasının uzunluğu 6 santimetreydi. Boşlukta ışık 0,2 ns'de 6 santimetre yol alır. Ölçümlerin gösterdiği gibi, ışık atımı sezyumlu odadan vakumdakinden 62 ns daha kısa bir sürede geçti. Başka bir deyişle, bir darbenin sezyum ortamından geçmesi için geçen süre eksi işaretine sahiptir! Aslında 0,2 ns'den 62 ns'yi çıkarırsak “negatif” zaman elde ederiz. Ortamdaki bu "negatif gecikme" - anlaşılmaz bir zaman sıçraması - darbenin boşlukta odacıktan 310 geçiş yaptığı süreye eşittir. Bu "zamansal tersine dönme"nin sonucu, odadan çıkan darbenin, gelen darbe odanın yakın duvarına ulaşmadan önce oradan 19 metre uzaklaşmayı başarmasıydı. Böylesine inanılmaz bir durum nasıl açıklanabilir (tabii ki deneyin saflığından şüphe etmiyorsak)?

Devam eden tartışmaya bakılırsa, henüz kesin bir açıklama bulunamamıştır, ancak ortamın olağandışı dağılım özelliklerinin burada bir rol oynadığına şüphe yoktur: Lazer ışığı tarafından uyarılan atomlardan oluşan sezyum buharı, anormal dağılıma sahip bir ortamdır. . Ne olduğunu kısaca hatırlayalım.

Bir maddenin dağılımı, faz (sıradan) kırılma indisinin n ışık dalga boyu l'ye bağımlılığıdır. Normal dağılımda, dalga boyu azaldıkça kırılma indisi artar ve bu durum cam, su, hava ve ışığa karşı şeffaf olan diğer tüm maddeler için de geçerlidir. Işığı güçlü bir şekilde emen maddelerde, kırılma indisinin dalga boyundaki değişiklikle seyri tersine çevrilir ve çok daha dik hale gelir: azalan l ile (artan frekans w), kırılma indisi keskin bir şekilde azalır ve belirli bir dalga boyu bölgesinde birlikten daha az olur ( faz hızı Vf > s). Bu, bir maddedeki ışığın yayılma düzeninin kökten değiştiği anormal bir dağılımdır. Grup hızı Vgr, dalgaların faz hızından daha büyük hale gelir ve ışığın boşluktaki hızını aşabilir (ve ayrıca negatif olabilir). L. Wong, deneyinin sonuçlarının açıklanabilme ihtimalinin altında yatan neden olarak bu duruma işaret ediyor. Bununla birlikte, Vgr > c koşulunun tamamen biçimsel olduğuna dikkat edilmelidir, çünkü grup hızı kavramı, bir dalga grubunun neredeyse şeklini değiştirmediği şeffaf ortam için küçük (normal) dağılım durumu için ortaya atılmıştır. yayılma sırasında. Anormal dağılım bölgelerinde ışık darbesi hızla deforme olur ve grup hızı kavramı anlamını kaybeder; bu durumda, şeffaf ortamda grup hızına denk gelen ve emilimli ortamlarda ışığın boşluktaki hızından daha düşük kalan sinyal hızı ve enerji yayılma hızı kavramları tanıtılmaktadır. Ancak Wong'un deneyinde ilginç olan şey şu: Anormal dağılıma sahip bir ortamdan geçen ışık darbesi deforme olmaz; şeklini tam olarak korur! Bu da dürtünün grup hızıyla yayıldığı varsayımına karşılık gelir. Ancak eğer öyleyse, o zaman ortamda herhangi bir absorpsiyon olmadığı ortaya çıkıyor, ancak ortamın anormal dağılımı tam olarak absorpsiyondan kaynaklanıyor! Wong, pek çok şeyin belirsiz kaldığını kabul ederken, deney düzeneğinde olup bitenlerin ilk tahminde aşağıdaki gibi açıkça açıklanabileceğine inanıyor.

Bir ışık darbesi farklı dalga boylarına (frekanslara) sahip birçok bileşenden oluşur. Şekilde bu bileşenlerden üçü gösterilmektedir (dalga 1-3). Bir noktada, üç dalganın tümü aynı fazdadır (maksimumları çakışır); burada toplanıyorlar, birbirlerini güçlendiriyorlar ve bir dürtü oluşturuyorlar. Uzayda daha fazla yayıldıkça, dalgalar fazları bozulur ve böylece birbirlerini “iptal ederler”.

Anormal dağılım bölgesinde (sezyum hücresinin içinde), daha kısa olan dalga (dalga 1) daha uzun hale gelir. Tersine, üçünün en uzunu olan dalga (3. dalga) en kısası olur.

Dolayısıyla dalgaların evreleri de buna göre değişir. Dalgalar sezyum hücresinden geçtikten sonra dalga cepheleri eski haline döner. Anormal dağılıma sahip bir maddede alışılmadık bir faz modülasyonuna uğrayan söz konusu üç dalga, bir noktada kendilerini yine aynı fazda buluyor. Burada tekrar toplanırlar ve sezyum ortamına giren darbeyle tamamen aynı şekle sahip bir darbe oluştururlar.

Tipik olarak havada ve aslında normal dağılıma sahip herhangi bir şeffaf ortamda, bir ışık atımı uzak bir mesafeye yayılırken şeklini doğru bir şekilde koruyamaz, yani tüm bileşenleri yayılma yolu boyunca herhangi bir uzak noktada aşamalandırılamaz. Ve normal şartlarda bir süre sonra bu kadar uzak bir noktada bir ışık darbesi belirir. Ancak deneyde kullanılan ortamın anormal özellikleri nedeniyle, uzak noktadaki darbenin bu ortama girerken olduğu gibi aşamalı olduğu ortaya çıktı. Böylece ışık atımı sanki uzak bir noktaya giderken negatif bir zaman gecikmesine sahipmiş gibi davranır, yani ona daha geç değil, ortamdan geçtiğinden daha erken varır!

Çoğu fizikçi bu sonucu odanın dağıtıcı ortamında düşük yoğunluklu bir öncül maddenin ortaya çıkışıyla ilişkilendirme eğilimindedir. Gerçek şu ki, bir darbenin spektral ayrışması sırasında, spektrum, darbenin "ana kısmının" önüne geçen, öncü olarak adlandırılan, göz ardı edilebilecek kadar küçük genliğe sahip, keyfi olarak yüksek frekansların bileşenlerini içerir. Kuruluşun niteliği ve öncülün şekli, ortamdaki dağılma yasasına bağlıdır. Bunu akılda tutarak, Wong'un deneyindeki olaylar dizisinin aşağıdaki şekilde yorumlanması önerildi. Haberciyi kendi önüne "uzatan" gelen dalga kameraya yaklaşır. Gelen dalganın zirvesi odanın yakın duvarına çarpmadan önce öncü, odada uzak duvara ulaşan ve ondan yansıyan bir "ters dalga" oluşturan bir darbenin görünümünü başlatır. c'den 300 kat daha hızlı yayılan bu dalga, yakındaki duvara ulaşıyor ve gelen dalgayla karşılaşıyor. Bir dalganın zirveleri diğerinin çukurlarıyla buluşuyor, böylece birbirlerini yok ediyorlar ve sonuç olarak geriye hiçbir şey kalmıyor. Gelen dalganın, odanın diğer ucunda kendisine enerji "ödünç veren" sezyum atomlarına "borcunu ödediği" ortaya çıktı. Deneyin yalnızca başlangıcını ve sonunu izleyen herkes, yalnızca zamanda ileri "sıçrayan" ve c'den daha hızlı hareket eden bir ışık darbesi görecektir.

L. Wong, deneyinin görelilik teorisiyle tutarlı olmadığına inanıyor. Süper ışık hızının erişilemezliği hakkındaki ifadenin yalnızca hareketsiz kütleye sahip nesneler için geçerli olduğuna inanıyor. Işık, kütle kavramının genel olarak uygulanamadığı dalgalar biçiminde ya da bilindiği gibi durgun kütlesi sıfıra eşit olan fotonlar biçiminde temsil edilebilir. Bu nedenle Wong'a göre ışığın boşluktaki hızı sınır değildir. Ancak Wong, keşfettiği etkinin bilginin c'den daha yüksek hızlarda iletilmesini mümkün kılmadığını itiraf ediyor.

Amerika Birleşik Devletleri'ndeki Los Alamos Ulusal Laboratuvarı'nda fizikçi olan P. Milonni, "Buradaki bilgi zaten nabzın ön ucunda yer alıyor" diyor ve şöyle devam ediyor: "Ve bu, ışıktan daha hızlı bilgi gönderiyormuşsunuz izlenimi verebilir, hatta siz göndermiyoruz.”

Çoğu fizikçi, yeni çalışmanın temel ilkelere ezici bir darbe vurmadığına inanıyor. Ancak fizikçilerin tümü sorunun çözüldüğüne inanmıyor. 2000 yılında ilginç bir deney daha gerçekleştiren İtalyan araştırma grubundan Profesör A. Ranfagni, bu sorunun hala cevapsız olduğuna inanıyor. Daniel Mugnai, Anedio Ranfagni ve Rocco Ruggeri tarafından gerçekleştirilen bu deney, santimetre dalga radyo dalgalarının normal havada c'den %25 daha hızlı hareket ettiğini keşfetti.

Özetlemek gerekirse şunu söyleyebiliriz.

İşler son yıllar belirli koşullar altında süper ışık hızının gerçekten meydana gelebileceğini gösteriyor. Peki süper ışık hızlarında tam olarak hareket eden şey nedir? Daha önce de belirtildiği gibi görelilik teorisi, maddi cisimler ve bilgi taşıyan sinyaller için bu tür hızları yasaklamaktadır. Bununla birlikte, bazı araştırmacılar ısrarla ışık bariyerinin özellikle sinyaller için aşıldığını göstermeye çalışıyorlar. Bunun nedeni, özel görelilik teorisinde, sinyallerin c'den daha büyük hızlarda iletilmesinin imkansızlığına ilişkin katı bir matematiksel gerekçenin (mesela Maxwell'in elektromanyetik alan denklemlerine dayanarak) bulunmamasıdır. STR'de böyle bir imkansızlığın, Einstein'ın hızları toplama formülüne dayanarak tamamen aritmetik olarak kurulduğu söylenebilir, ancak bu temelde nedensellik ilkesiyle doğrulanır. Einstein'ın kendisi, süperluminal sinyal iletimi konusunu ele alarak, bu durumda şöyle yazmıştır: "... ulaşılan eylemin nedenden önce geldiği bir sinyal iletim mekanizmasının mümkün olduğunu düşünmek zorundayız. Ancak bu tamamen mantıksal bir noktadan kaynaklansa da, Görüş kendini içermiyor, bence hiçbir çelişki yok; yine de tüm deneyimimizin doğasıyla o kadar çelişiyor ki, V > c varsayımının imkansızlığı yeterince kanıtlanmış görünüyor." Nedensellik ilkesi, süperluminal sinyal iletiminin imkansızlığının altında yatan temel taşıdır. Ve görünüşe göre, deneyciler bu tür sinyalleri ne kadar tespit etmek isterse istesin, istisnasız tüm ışık üstü sinyal arayışları bu taşa rastlayacaktır, çünkü dünyamızın doğası böyledir.

Ama yine de görelilik matematiğinin süperluminal hızlarda çalışmaya devam edeceğini hayal edelim. Bu, teorik olarak bir cismin ışık hızını aşması durumunda ne olacağını hâlâ öğrenebileceğimiz anlamına geliyor.

İki uzay gemisinin Dünya'dan gezegenimize 100 ışıkyılı uzaklıktaki bir yıldıza doğru ilerlediğini hayal edelim. İlk gemi Dünya'dan ışık hızının %50'si hızla ayrılacak, yani yolculuğun tamamlanması 200 yıl sürecek. Varsayımsal bir warp sürücüsüyle donatılmış ikinci gemi, ışık hızının %200'üyle seyahat edecek, ancak ilkinden 100 yıl sonra. Ne olacak?

Görelilik teorisine göre doğru cevap büyük ölçüde gözlemcinin bakış açısına bağlıdır. Dünya'dan bakıldığında, ilk geminin, dört kat daha hızlı hareket eden ikinci gemi tarafından geçilmeden önce zaten önemli bir mesafe kat ettiği görülecektir. Ancak ilk gemideki insanların bakış açısından her şey biraz farklı.

2 No'lu Gemi ışıktan daha hızlı hareket ediyor, bu da kendi yaydığı ışığı bile geride bırakabileceği anlamına geliyor. Bu, çeşitli ilginç etkilere yol açan bir tür “ışık dalgası” (ses dalgasına benzer, ancak hava titreşimleri yerine titreşen ışık dalgaları vardır) ile sonuçlanır. 2 numaralı gemiden gelen ışığın geminin kendisinden daha yavaş hareket ettiğini hatırlayın. Sonuç görsel olarak ikiye katlama olacaktır. Yani önce 1 No'lu geminin mürettebatı, ikinci geminin sanki birdenbire yanlarında belirdiğini görecek. Daha sonra ikinci gemiden gelen ışık biraz gecikmeyle birinciye ulaşacak ve sonuç şu şekilde olacaktır: görünür kopya hafif bir gecikmeyle aynı yönde hareket edecek.

Benzer bir şey şurada görülebilir bilgisayar oyunları Bir sistem arızası sonucunda motor, modeli ve algoritmalarını hareketin bitiş noktasında, hareket animasyonunun sona ermesinden daha hızlı yüklediğinde, böylece birden fazla çekim meydana gelir. Muhtemelen bilincimizin, Evrenin cisimlerin süper ışık hızlarında hareket ettiği varsayımsal yönünü algılamamasının nedeni budur - belki de bu en iyisidir.

Not: ... ama içinde son örnek Bir şey anlamıyorum, neden geminin gerçek konumu "yaydığı ışık" ile ilişkilendiriliyor? Onu yanlış yerde görseler bile gerçekte ilk gemiyi geçecek!

kaynaklar

Okuldan bize ışık hızını aşmanın imkansız olduğu ve bu nedenle bir kişinin uzaydaki hareketinin büyük çözülemeyen bir sorun olduğu öğretildi (ışık bu mesafeyi yalnızca birkaç saniyede kat edebiliyorsa en yakın güneş sistemine nasıl uçulur) bin yıl?). Belki Amerikalı bilim adamları, sadece hile yapmadan değil, aynı zamanda Albert Einstein'ın temel yasalarını da takip ederek süper hızlarda uçmanın bir yolunu bulmuşlardır. Her durumda, uzay deformasyon motoru projesinin yazarı Harold White'ın iddia ettiği şey budur.

Biz yazı işleri bürosu olarak bu haberi kesinlikle fantastik olarak değerlendirdik, bu nedenle bugün, Kozmonot Günü arifesinde, Popular Science dergisi için Konstantin Kakaes'in olağanüstü bir NASA projesi hakkında bir rapor yayınlıyoruz, eğer başarılı olursa, bir kişi bunun ötesine geçebilecektir. Güneş Sistemi.

Eylül 2012'de yüzlerce bilim adamı, mühendis ve uzay meraklısı, grubun 100 Yıllık Yıldız Gemisi adı verilen ikinci halka açık toplantısı için bir araya geldi. Grup, eski astronot Mai Jemison tarafından yönetiliyor ve DARPA tarafından kuruluyor. Konferansın amacı “önümüzdeki yüz yıl içinde insanların güneş sisteminin ötesinde diğer yıldızlara seyahat etmesini mümkün kılmak”. Konferans katılımcılarının çoğu, insanlı uzay araştırmalarındaki ilerlemenin çok küçük olduğunu kabul ediyor. Son birkaç çeyrekte harcanan milyarlarca dolara rağmen uzay ajansları neredeyse 1960'larda yapabildiklerinin fazlasını yapabiliyor. Aslında 100 Year Starship tüm bunları düzeltmek için toplandı.

Ama gelelim asıl meseleye. Konferanstan birkaç gün sonra katılımcılar en fantastik konulara ulaştı: organ yenilenmesi, gemideki organize din sorunu vb. 100 Yıllık Yıldız Gemisi toplantısındaki en ilginç sunumlardan biri "Gerilim Alanı Mekaniği 102" idi ve NASA'dan Harold "Sonny" White tarafından yapıldı. Eski bir ajans olan White, Johnson Space Center'da (JSC) gelişmiş nabız programını yönetmektedir. Beş meslektaşıyla birlikte NASA'nın gelecekteki uzay yolculuğuna yönelik hedeflerini özetleyen Uzay İtki Sistemleri Yol Haritasını oluşturdu. Plan, gelişmiş kimyasal roketlerden antimadde veya nükleer makineler gibi geniş kapsamlı gelişmelere kadar her türlü itici projeyi listeliyor. Ancak White'ın araştırma alanı en fütürist olanıdır: uzay warp motoruyla ilgilidir.

Alcubierre balonu genellikle bu şekilde tasvir edilir

Plana göre böyle bir motor, uzayda ışık hızını aşan hızlarda hareket sağlayacak. Einstein'ın görelilik teorisinin açık bir ihlali olduğu için bunun imkansız olduğu genel olarak kabul edilmektedir. Ancak Beyaz bunun tersini söylüyor. Sözlerini doğrulamak için, Alcubierre kabarcıklarına (Einstein'ın teorisinden türetilen, uzaydaki bir cismin, normal koşullardaki bir cismin aksine, ışık üstü hızlara ulaşma kapasitesine sahip olduğunu söyleyen denklemler) başvuruyor. Sunumda, yakın zamanda doğrudan gerçek bir uzay deformasyon motorunun yaratılmasına yol açan teorik sonuçlara nasıl ulaştığını anlattı.

Tüm bunların kulağa kesinlikle fantastik geldiği açıktır: Bu tür gelişmeler, dünyadaki tüm astrofizikçilerin ellerini serbest bırakacak gerçek bir devrimdir. Bu motora sahip bir gemideki astronotlar, bize en yakın yıldız sistemi olan Alpha Centauri'ye 75.000 yıl yolculuk yapmak yerine bu yolculuğu birkaç hafta içinde yapabilirler.

Mekik programının sona ermesi ve alçak Dünya yörüngesine özel uçuşların artan rolü ışığında NASA, aya yapılacak gezilerin çok ötesine geçen daha geniş kapsamlı, çok daha cesur planlara yeniden odaklandığını söylüyor. Bu hedeflere ancak yeni motor sistemlerinin geliştirilmesi yoluyla ulaşılabilir; ne kadar hızlı olursa o kadar iyidir. Konferanstan birkaç gün sonra NASA başkanı Charles Bolden, White'ın sözlerini tekrarladı: "Mars'ta durmadan, ışık hızından daha hızlı yolculuk yapmak istiyoruz."

BU MOTOR HAKKINDA NASIL BİLİYORUZ

"Uzay warp motoru" ifadesinin ilk popüler kullanımı, Jen Roddenberry'nin "Uzay warp motoru"nu yayınladığı 1966 yılına kadar uzanıyor. Yıldız Savaşları" Sonraki 30 yıl boyunca bu motor yalnızca bu bilim kurgu serisinin bir parçası olarak varlığını sürdürdü. Miguel Alcubierre adında bir fizikçi, genel görelilik alanında doktorası üzerinde çalışırken ve gerçekte bir uzay warp motoru yaratmanın mümkün olup olmadığını merak ederken dizinin bir bölümünü izledi. 1994 yılında bu pozisyonunu özetleyen bir belge yayınladı.

Alcubierre uzayda bir balon hayal etti. Balonun ön kısmında zaman-uzay daralır ve arka kısmında genişler (fizikçilere göre Büyük Patlama sırasında olduğu gibi). Deformasyon, çevredeki gürültüye rağmen geminin sanki bir dalgada sörf yapıyormuş gibi uzayda yumuşak bir şekilde süzülmesine neden olacak. Prensip olarak deforme olmuş bir kabarcık istenildiği kadar hızlı hareket edebilir; Einstein'ın teorisine göre ışık hızındaki sınırlamalar yalnızca uzay-zaman bağlamında geçerlidir, uzay-zamanın bu tür çarpıklıklarında geçerli değildir. Alcubierre'nin varsaydığı gibi balonun içinde uzay-zaman değişmeyecek ve uzay yolcularına hiçbir zarar gelmeyecekti.

Einstein'ın genel görelilik denklemlerini, maddenin uzayı nasıl büktüğünü çözerek tek yönde çözmek zordur, ancak yapılabilir. Bunları kullanarak Alcubierre, madde dağılımının deforme olmuş bir kabarcığın oluşması için gerekli bir koşul olduğunu belirledi. Tek sorun, çözümlerin negatif enerji adı verilen maddenin tanımsız bir formuyla sonuçlanmasıdır.

Konuşuyorum basit bir dille, yerçekimi iki nesne arasındaki çekim kuvvetidir. Boyutu ne olursa olsun her nesne, etrafındaki maddeye bir miktar çekim kuvveti uygular. Einstein'a göre bu kuvvet uzay-zamanın eğriliğidir. Ancak negatif enerji yerçekimsel olarak negatiftir, yani iticidir. Negatif enerji, zamanı ve mekanı birbirine bağlamak yerine onları uzaklaştırır ve ayırır. Kabaca söylemek gerekirse, böyle bir modelin işe yaraması için Alcubierre'nin geminin arkasındaki uzay-zamanı genişletecek negatif enerjiye ihtiyacı var.

Hiç kimsenin negatif enerjiyi gerçekten ölçmemiş olmasına rağmen, kuantum mekaniğine göre negatif enerji var ve bilim adamları onu laboratuvarda yaratmayı öğrendiler. Bunu yeniden yaratmanın bir yolu Casimir etkisidir: birbirine yakın yerleştirilen iki paralel iletken plaka belirli miktarda negatif enerji yaratır. Alcubierre modelinin zayıf noktası, büyük miktarda negatif enerji gerektirmesidir; bilim adamlarının tahmininden birkaç kat daha yüksek üretilebilir.

White bu sınırlamayı aşmanın bir yolunu bulduğunu söylüyor. Bir bilgisayar simülasyonunda White, deformasyon alanının geometrisini değiştirdi; böylece teoride, Alcubierre'nin tahmin ettiğine göre milyonlarca kat daha az negatif enerji kullanarak ve belki de bir uzay aracının bunu üretecek araçları taşıyabileceği kadar az negatif enerji kullanarak deforme olmuş bir kabarcık üretebildi. White, "Keşifler, Alcubierre'nin yöntemini pratik olmayandan tamamen akla yatkın hale getiriyor" diyor.

WHITE'S LABORATUVARINDAN RAPOR

Johnson Uzay Merkezi, Galveston Körfezi'ne bakan, Houston lagünlerinin yakınında yer almaktadır. Merkez biraz banliyö üniversite kampüsünü andırıyor ve sadece astronot yetiştirmeyi amaçlıyor. Ziyaretimin gününde White benimle, motor testlerinin yapıldığı koridorlar, ofisler ve laboratuvarlardan oluşan çok katlı bir labirent olan Bina 15'te buluşuyor. White, fütürist bir uzay gemisinin üzerinde süzülen bir kartal işlemeli Eagleworks polo tişörtü (motor deneylerini böyle adlandırıyor) giyiyor.

White, kariyerine bir robot grubunun parçası olarak araştırma yürüten bir mühendis olarak başladı. Plazma fiziği alanında doktorasını bitirirken sonunda ISS'deki robotik kanadının tamamının komutasını devraldı. İlgisini ancak 2009 yılında hareket incelemesine çevirdi ve bu konu onu o kadar büyüledi ki NASA'da çalışmaya gitmesinin ana nedeni haline geldi.

Tahrik sistemleri bölümüne başkanlık eden patronu John Applewhite, "Oldukça sıra dışı bir insan" diyor. - Kesinlikle harika bir hayalperest ama aynı zamanda yetenekli bir mühendis. Fantezilerini gerçek bir mühendislik ürününe nasıl dönüştüreceğini biliyor.” White, NASA'ya katıldığı sıralarda ileri düzey bilimlere adanmış kendi laboratuvarını açmak için izin istedi. motor sistemleri. Kendisi Eagleworks adını buldu ve hatta NASA'dan uzmanlığı için bir logo oluşturmasını istedi. Daha sonra bu çalışma başladı.

White beni ayda su arayan bir meslektaşıyla paylaştığı ofisine ve ardından Eagleworks'e götürüyor. Yürürken bana bir laboratuvar açma isteğini anlatıyor ve bunu "insanın uzayı keşfetmesine yardımcı olacak gelişmiş bir hareket bulmanın uzun ve zorlu süreci" olarak adlandırıyor.

White bana nesneyi gösteriyor ve onun merkezi işlevini gösteriyor; buna "kuantum vakum plazma itişi" (QVPT) adını veriyor. Bu cihaz, çekirdeğin etrafına sıkıca sarılmış tellerden oluşan devasa bir kırmızı kadife çöreğe benziyor. Bu, Eagleworks'ün iki girişiminden biridir (diğeri warp sürücüsüdür). Ayrıca bu gizli gelişme. Bunun ne olduğunu sorduğumda White tek söyleyebildiği teknolojinin warp sürücüsünden bile daha havalı olduğu olduğunu söylüyor.) White tarafından yazılan 2011 NASA raporuna göre, araç yakıt kaynağı olarak boş uzaydaki kuantum dalgalanmalarını kullanıyor; bu da QVPT ile çalışan bir uzay aracının yakıt gerektirmeyeceği anlamına geliyor.

Motor, yakıt kaynağı olarak boş uzaydaki kuantum dalgalanmalarını kullanıyor.
bu bir uzay gemisi anlamına gelir,
QVPT tarafından çalıştırılır ve yakıt gerektirmez.

Cihaz çalışırken White'ın sistemi sinema açısından mükemmel görünüyor: Lazerin rengi kırmızıdır ve iki ışın kılıç gibi kesişir. Halkanın içinde, White'ın 23.000 voltta şarj ettiği, baryum titanattan yapılmış dört seramik kapasitör var. White son iki buçuk yılını deneyi geliştirmek için harcadı ve kapasitörlerin muazzam bir potansiyel enerji sergilediğini söylüyor. Ancak çarpık uzay-zaman için gereken negatif enerjiyi nasıl yaratacağımı sorduğumda cevap vermekten kaçınıyor. Bir gizlilik anlaşması imzaladığını ve bu nedenle ayrıntıları açıklayamayacağını açıklıyor. Bu anlaşmaları kiminle yaptığını soruyorum. Şöyle diyor: “İnsanlarla. Gelip konuşmak istiyorlar. Size daha fazla ayrıntı veremem."

MOTOR FİKİRİNİN MUHALİFLERİ

Şu ana kadar, çarpık seyahat teorisi oldukça sezgiseldir (hareket eden bir balon oluşturmak için zamanı ve uzayı büker) ve birkaç önemli kusuru vardır. Tufts Üniversitesi'nde teorik fizikçi olan ve son 30 yılda negatif enerji konusunda çok sayıda makale yazan Lawrence Ford, White, Alcubierre'nin ihtiyaç duyduğu negatif enerji miktarını önemli ölçüde azaltsa bile, bunun için bilim adamlarının üretebileceğinden daha fazlasını gerektireceğini söylüyor. . Ford ve diğer fizikçiler temel fiziksel sınırlamaların olduğunu söylüyorlar; bu sınırlamalar mühendislik kusurlarından çok, bu miktardaki negatif enerjinin tek bir yerde uzun süre var olamayacağı gerçeğinden kaynaklanıyor.

Başka bir zorluk: Işıktan daha hızlı hareket eden bir warp topu oluşturmak için bilim adamlarının uzay aracının etrafında ve üstünde negatif enerji üretmesi gerekecek. White bunun bir sorun olduğunu düşünmüyor; çok muğlak bir şekilde, motorun büyük olasılıkla mevcut bazı "yaratan aygıtlar" sayesinde çalışacağını söylüyor. gerekli koşullar" Ancak bu koşulların geminin önünde yaratılması, ışık hızından daha hızlı hareket eden sürekli bir negatif enerji kaynağının sağlanması anlamına gelecektir ki bu da yine genel görelilik kuramıyla çelişmektedir.

Son olarak, uzay warp motoru kavramsal bir soruyu gündeme getiriyor. Genel göreliliğe göre süper ışık hızlarında yolculuk yapmak, zamanda yolculuk yapmakla eşdeğerdir. Eğer böyle bir motor gerçekse, Beyaz bir zaman makinesi yaratır.

Bu engeller ciddi şüphelerin oluşmasına neden oluyor. Starship 100th'teki egzotik itiş gücü tartışmasına da katılan Tufts Üniversitesi'nden fizikçi Ken Olum, "Bildiğimiz fizik ve fizik yasalarının onun deneyleriyle herhangi bir şey başaracağına inanmamıza izin verdiğini düşünmüyorum" diyor Yıldönümü toplantısı." Benim isteğim üzerine White'ın iki makalesini okuyan Middlebury Koleji'nden fizikçi Noah Graham bana e-posta gönderdi: "Onun önceki çalışmalarına yapılan atıflar dışında hiçbir değerli bilimsel kanıt göremiyorum."

Şu anda Meksika Ulusal Özerk Üniversitesi'nde fizikçi olan Alcubierre'nin de kendi şüpheleri var. Mexico City'deki evinden bana telefonda şunları söyledi: "Bir uzay gemisinde duruyor olsam ve elimde negatif enerji olsa bile, onu olması gereken yere koymamın hiçbir yolu yoktu." - Hayır, fikir sihirli, hoşuma gitti, kendim yazdım. Ancak yıllar geçtikçe şimdi görebildiğim birkaç ciddi eksiklik var ve bunları düzeltmenin tek bir yolunu bilmiyorum."

SÜPER HIZIN GELECEĞİ

Johnson Bilim Merkezi'nin ana kapısının solunda, yan tarafında bir Satürn V roketi yatıyor; iç içeriğini göstermek için aşamaları ayrılmış durumda. Devasa bir motordur; birçok motorundan biri küçük bir araba boyutundadır ve roketin kendisi de bir futbol sahasından birkaç metre daha uzundur. Bu, elbette, uzay navigasyonunun özelliklerine dair oldukça anlamlı bir kanıttır. Üstelik kendisi 40 yaşında ve temsil ettiği dönem (NASA'nın aya insan göndermeye yönelik devasa bir ulusal planın parçası olduğu dönem) çoktan geride kaldı. Bugün JSC, bir zamanlar harika olan ancak o zamandan beri uzayın öncülüğünü bırakan bir yer.

Bu atılım, JSC ve NASA için yeni bir dönem anlamına gelebilir ve bir dereceye kadar bu dönemin bir kısmı şimdi başlıyor. 2007 yılında fırlatılan Dawn sondası, iyon motorlarını kullanarak asteroit halkasını inceliyor. 2010 yılında Japonlar, başka bir deneysel itiş gücü türü olan, güneş yelkeniyle çalışan ilk gezegenler arası yıldız gemisi olan Icarus'u görevlendirdi. Ve 2016'da bilim insanları, ISS'de yüksek itiş gücü için özel olarak yapılmış, plazmayla çalışan bir sistem olan VASMIR'i test etmeyi planlıyor. Ancak bu sistemler astronotları Mars'a taşıyabilecek olsa da onları güneş sisteminin dışına çıkaramayacaklar. White, bunu başarmak için NASA'nın daha riskli projeler üstlenmesi gerektiğini söyledi.

Warp sürücüsü belki de Nas'ın hareket projeleri yaratma çabalarının en uç noktasıdır. Bilim topluluğu White'ın bunu yaratamayacağını söylüyor. Uzmanlar bunun doğa ve fizik kanunlarına aykırı olduğunu söylüyor. Buna rağmen NASA projenin arkasında. Applewhite, "Olması gerektiği gibi yüksek düzeyde devlet desteği sağlanmıyor" diyor. - Yönetimin onun işine devam etmesiyle özel bir ilgisi olduğunu düşünüyorum; Başarılı olması halinde oyunu tamamen değiştirecek teorik kavramlardan biri.”

Ocak ayında White, gerinim interferometresini topladı ve bir sonraki hedefine geçti. Eagleworks büyüdü kendi evi. Yeni laboratuvar daha büyük ve kendisinin heyecanla "sismik olarak izole edildiğini", yani titreşimlerden korunduğunu söylüyor. Ancak yeni laboratuvarın belki de en iyi (ve en etkileyici) yanı, NASA'nın Neil Armstrong ve Buzz Aldrin'in Ay'da sahip olduğu koşulların aynısını Beyaz'a vermiş olmasıdır. İyi, görelim bakalım.

Eylül 2011'de fizikçi Antonio Ereditato dünyayı şok etti. Onun açıklaması evren anlayışımızda devrim yaratabilir. OPERA Projesi'ndeki 160 bilim insanının topladığı veriler doğruysa inanılmaz bir şey gözlemlendi. Parçacıklar (bu durumda nötrinolar) ışıktan daha hızlı hareket ediyordu. Einstein'ın görelilik teorisine göre bu imkansızdır. Ve böyle bir gözlemin sonuçları inanılmaz olurdu. Fiziğin temellerinin yeniden gözden geçirilmesi gerekebilir.

Ereditato, kendisinin ve ekibinin sonuçlara "son derece güvendiğini" söylese de verilerin tamamen doğru olduğunu söylemediler. Bunun yerine, diğer bilim adamlarından neler olup bittiğini anlamalarına yardım etmelerini istediler.

Sonunda OPERA'nın sonuçlarının yanlış olduğu ortaya çıktı. Kablonun kötü bağlanması nedeniyle senkronizasyon sorunu yaşandı ve GPS uydularından gelen sinyaller hatalıydı. Sinyalde beklenmeyen bir gecikme yaşandı. Sonuç olarak, nötrinoların belirli bir mesafeyi kat etmesi için geçen süreye ilişkin ölçümler fazladan 73 nanosaniye olduğunu gösterdi: Nötrinoların ışıktan daha hızlı hareket ettiği görülüyordu.

Deney başlamadan önce aylarca süren dikkatli testlere ve sonrasında verileri tekrar kontrol etmelerine rağmen bilim insanları ciddi şekilde yanılıyordu. Ereditato, birçok kişinin bu tür hataların her zaman parçacık hızlandırıcıların aşırı karmaşıklığı nedeniyle meydana geldiği yönündeki yorumlarına rağmen istifa etti.

Bir şeyin ışıktan daha hızlı gidebileceği yönündeki öneri -sadece öneri- neden bu kadar telaşa neden oldu? Hiçbir şeyin bu engeli aşamayacağından ne kadar eminiz?

Önce bu sorulardan ikincisine bakalım. Işığın boşluktaki hızı saniyede 299.792.458 kilometredir; kolaylık olması açısından bu sayı saniyede 300.000 kilometreye yuvarlanır. Oldukça hızlı. Güneş, Dünya'dan 150 milyon kilometre uzaktadır ve ışığı Dünya'ya yalnızca sekiz dakika yirmi saniyede ulaşır.

Yaratılışlarımızdan herhangi biri ışığa karşı yarışta yarışabilir mi? Şimdiye kadar yapılmış en hızlı insan yapımı nesnelerden biri olan New Horizons uzay aracı, Temmuz 2015'te Plüton ve Charon'un yanından hızla geçti. Dünyaya göre 16 km/s hıza ulaştı. 300.000 km/s'den çok daha az.

Ancak oldukça hızlı hareket eden küçük parçacıklarımız vardı. 1960'ların başında MIT'den William Bertozzi, elektronları daha da yüksek hızlara hızlandırmayı denedi.

Elektronlar negatif yüke sahip olduğundan, aynı negatif yükün bir malzemeye uygulanmasıyla hızlandırılabilirler (daha doğrusu itilebilirler). Ne kadar fazla enerji uygulanırsa elektronlar o kadar hızlı hızlanır.

300.000 km/s hıza ulaşmak için uygulanan enerjinin arttırılmasının yeterli olduğu düşünülebilir. Ancak elektronların bu kadar hızlı hareket edemeyecekleri ortaya çıktı. Bertozzi'nin deneyleri, daha fazla enerji kullanmanın elektron hızında doğru orantılı bir artışa yol açmadığını gösterdi.

Bunun yerine, elektronların hızını biraz bile değiştirmek için muazzam miktarda ek enerjinin uygulanması gerekiyordu. Işık hızına giderek yaklaştı ama asla ulaşamadı.

Küçük adımlarla kapıya doğru ilerlediğinizi, her adımın mevcut konumunuzdan kapıya olan mesafenin yarısını kat ettiğini hayal edin. Açıkçası kapıya asla ulaşamayacaksınız çünkü attığınız her adımdan sonra hala katetmeniz gereken bir mesafe olacak. Bertozzi elektronlarıyla uğraşırken hemen hemen aynı problemle karşılaştı.

Ancak ışık, foton adı verilen parçacıklardan oluşur. Bu parçacıklar neden ışık hızında hareket edebiliyorken elektronlar neden gidemiyor?

Avustralya'daki Melbourne Üniversitesi'nden fizikçi Roger Rassoul, "Nesneler giderek daha hızlı hareket ettikçe daha da ağırlaşıyorlar; ne kadar ağırlaşırlarsa, hızlanmaları o kadar zorlaşıyor, dolayısıyla hiçbir zaman ışık hızına ulaşamazsınız" diyor. “Bir fotonun kütlesi yoktur. Kütlesi olsaydı ışık hızında hareket edemezdi."

Fotonlar özeldir. Kütlelerinin olmaması, onlara uzay boşluğunda tam bir hareket özgürlüğü sağlamasının yanı sıra hızlanmalarına da gerek yok. Sahip oldukları doğal enerji tıpkı kendileri gibi dalgalar halinde hareket eder, yani yaratıldıklarında zaten azami hız. Bazı yönlerden ışığı bir parçacık akışı yerine enerji olarak düşünmek daha kolaydır, ancak gerçekte ışık her ikisidir.

Ancak ışık beklediğimizden çok daha yavaş hareket eder. İnternet teknoloji uzmanları, fiber optikte iletişimin "ışık hızında" gerçekleştiğinden bahsetmeyi sevse de, cam fiber optikte ışık, boşluğa göre %40 daha yavaş hareket eder.

Gerçekte fotonlar 300.000 km/s hızla yol alırlar, ancak ana ışık dalgası geçerken cam atomlarının yaydığı diğer fotonların neden olduğu bir miktar girişimle karşılaşırlar. Bunu anlamak kolay olmayabilir ama en azından denedik.

Aynı şekilde, bireysel fotonlarla yapılan özel deneyler çerçevesinde, onları oldukça etkileyici bir şekilde yavaşlatmak mümkün oldu. Ancak çoğu durumda 300.000 doğru olurdu.Bu kadar hızlı, hatta daha hızlı hareket edebilen bir şey ne gördük ne de inşa ettik. Özel noktalar var ama bunlara değinmeden önce diğer sorumuza değinelim. Işık hızı kuralına sıkı sıkıya uyulması neden bu kadar önemli?

Cevap, fizikte sıklıkla olduğu gibi, Albert Einstein adında bir adamla ilgilidir. Özel görelilik teorisi, evrensel hız sınırlarının birçok sonucunu araştırıyor. Teorinin en önemli unsurlarından biri ışık hızının sabit olduğu düşüncesidir. Nerede olursanız olun, ne kadar hızlı hareket ederseniz edin, ışık her zaman aynı hızda hareket eder.

Ancak bu durum birçok kavramsal sorunu da beraberinde getiriyor.

Bir el fenerinden gelen ışığın, sabit bir uzay aracının tavanındaki aynaya düştüğünü hayal edin. Işık yukarı çıkıyor, aynadan yansıyor ve uzay aracının zeminine düşüyor. Diyelim ki 10 metre mesafe kat etti.

Şimdi bu uzay aracının saniyede binlerce kilometrelik devasa bir hızla hareket etmeye başladığını hayal edin. El fenerini açtığınızda ışık eskisi gibi davranır: Yukarı doğru parlar, aynaya çarpar ve yere yansır. Ancak bunu yapabilmek için ışığın dikey değil çapraz bir mesafe kat etmesi gerekecek. Sonuçta ayna artık uzay aracıyla birlikte hızla hareket ediyor.

Buna bağlı olarak ışığın kat ettiği mesafe artar. 5 metre diyelim. Yani toplamda 10 metre değil 15 metre çıkıyor.

Ve buna rağmen mesafe artsa da Einstein'ın teorileri ışığın hala aynı hızla gideceğini iddia ediyor. Hız, mesafenin zamana bölümü olduğundan, hız aynı kaldığı ve mesafe arttığı için zamanın da artması gerekir. Evet, zamanın kendisi de uzamalı. Her ne kadar bu kulağa tuhaf gelse de deneysel olarak doğrulandı.

Bu olaya zaman genişlemesi denir. Hızlı hareket eden araçlarda seyahat eden insanlar için zaman, duranlara göre daha yavaş akar.

Örneğin Uluslararası Uzay İstasyonundaki astronotlar için zaman 0,007 saniye daha yavaş akıyor. uzay istasyonu Gezegendeki insanlarla karşılaştırıldığında Dünya'ya göre 7,66 km/sn hızla hareket eden. Daha da ilginci, yukarıda sözü edilen elektronlar gibi ışık hızına yakın hareket edebilen parçacıkların durumudur. Bu parçacıklar söz konusu olduğunda yavaşlamanın derecesi çok büyük olacaktır.

İngiltere'deki Oxford Üniversitesi'nden deneysel fizikçi Stephen Kolthammer, müon adı verilen parçacık örneğine dikkat çekiyor.

Müonlar kararsızdır; hızla daha basit parçacıklara bozunurlar. O kadar hızlı ki, Güneş'ten ayrılan müonların çoğu, Dünya'ya ulaşana kadar bozunacak. Ancak gerçekte müonlar Dünya'ya Güneş'ten devasa hacimlerde geliyor. Fizikçiler uzun zamandır nedenini anlamaya çalıştım.

Kolthammer, "Bu gizemin cevabı, müonların ışık hızına yakın bir hızla hareket edecek kadar enerjiyle üretilmesidir" diyor. "Onların zaman algısı, tabiri caizse, iç saatleri yavaştır."

Gerçek ve doğal bir zaman bükülmesi sayesinde, müonlar bize göre beklenenden daha uzun süre "hayatta kalıyor". Nesneler diğer nesnelere göre hızlı hareket ettiğinde uzunlukları da azalır ve kısalır. Bu sonuçlar, yani zaman genişlemesi ve uzunluk azalması, kütleye sahip nesnelerin (benim, sizin veya bir uzay aracının) hareketine bağlı olarak uzay-zamanın nasıl değiştiğinin örnekleridir.

Önemli olan Einstein'ın dediği gibi ışığın kütlesi olmadığı için etkilenmemesidir. Bu nedenle bu ilkeler el ele gider. Eğer şeyler ışıktan daha hızlı hareket edebilseydi, evrenin nasıl çalıştığını açıklayan temel yasalara uyacaklardı. Bunlar temel ilkelerdir. Şimdi birkaç istisna ve istisnadan bahsedebiliriz.

Bir yandan, ışıktan hızlı giden hiçbir şey görmemiş olsak da bu, teorik olarak bu hız sınırının çok özel koşullar altında aşılamayacağı anlamına gelmiyor. Örneğin evrenin genişlemesini ele alalım. Evrendeki galaksiler ışık hızını önemli ölçüde aşan hızlarda birbirlerinden uzaklaşıyorlar.

Bir başka ilginç durum da, birbirlerinden ne kadar uzakta olursa olsun, aynı anda aynı özellikleri paylaşan parçacıklarla ilgilidir. Buna “kuantum dolaşması” denir. Foton, iki olası durum arasında rastgele seçim yaparak yukarı ve aşağı dönecektir, ancak dönüş yönü seçimi, eğer dolaşmışlarsa, başka bir yerdeki başka bir fotona tam olarak yansıtılacaktır.

Her biri kendi fotonunu inceleyen iki bilim adamı, aynı anda, ışık hızının izin verebileceğinden daha hızlı bir şekilde aynı sonucu elde edecekti.

Ancak bu örneklerin her ikisinde de iki nesne arasında hiçbir bilginin ışık hızından daha hızlı gitmediğine dikkat etmek önemlidir. Evrenin genişlemesini hesaplayabiliriz, ancak içindeki ışıktan daha hızlı nesneleri gözlemleyemeyiz: onlar görüş alanından kaybolmuştur.

İki bilim adamı ise fotonlarıyla aynı anda tek bir sonuç elde edebilseler de, ışığın aralarında seyahat etmesinden daha hızlı bir şekilde bunu birbirlerine bildiremezlerdi.

Kolthammer, "Bu bizim için herhangi bir sorun yaratmıyor, çünkü eğer ışıktan daha hızlı sinyal gönderebiliyorsanız, bilginin bir şekilde zamanda geriye gidebileceği tuhaf paradokslarla karşılaşırsınız" diyor.

Işıktan hızlı yolculuğu teknik olarak mümkün kılmanın başka bir olası yolu daha var: uzay-zamanda yolcunun normal yolculuğun kurallarından kaçmasına olanak tanıyacak yarıklar.

Teksas'taki Baylor Üniversitesi'nden Gerald Cleaver, bir gün ışıktan daha hızlı giden bir uzay aracı yapabileceğimize inanıyor. Bir solucan deliğinden geçiyor. Solucan delikleri, Einshein'ın teorilerine mükemmel bir şekilde uyan, uzay-zamandaki döngülerdir. Bir astronotun, uzay-zamandaki bir anormallik, bir tür kozmik kısayol yoluyla evrenin bir ucundan diğer ucuna atlamasına izin verebilirler.

Bir solucan deliğinden geçen bir nesne ışık hızını aşmayacaktır ancak teorik olarak hedefine "normal" bir yol izleyen ışıktan daha hızlı ulaşabilir. Ancak solucan delikleri uzay yolculuğu için tamamen erişilemez olabilir. Başka birine göre 300.000 km/s'den daha hızlı hareket etmek için uzay-zamanı aktif olarak bozmanın başka bir yolu olabilir mi?

Cleaver ayrıca 1994 yılında teorik fizikçi Miguel Alcubierre tarafından önerilen "Alcubierre motoru" fikrini de araştırdı. Uzay-zamanın uzay aracının önünde kasılarak onu ileri ittiği ve arkasında genişleyerek aynı zamanda onu ileri doğru ittiği bir durumu anlatır. Cleaver şöyle diyor: "Ama sonra sorunlar ortaya çıktı: bunun nasıl yapılacağı ve ne kadar enerjiye ihtiyaç duyulacağı."

2008 yılında kendisi ve yüksek lisans öğrencisi Richard Obouzi ne kadar enerjiye ihtiyaç duyulacağını hesapladılar.

"10m x 10m x 10m - 1000 metreküp boyutunda bir gemi hayal ettik ve süreci başlatmak için gereken enerji miktarının tüm Jüpiter'in kütlesine eşdeğer olacağını hesapladık."

Bundan sonra sürecin bitmemesi için enerjinin sürekli “eklenmesi” gerekir. Bunun mümkün olup olmayacağını ya da gerekli teknolojinin neye benzeyeceğini kimse bilmiyor. Cleaver, "Yüzyıllar boyunca asla olmayacak bir şeyi tahmin ediyormuşum gibi alıntılanmak istemiyorum" diyor ve ekliyor: "Ama henüz bir çözüm göremiyorum."

Yani ışık hızından daha hızlı yolculuk yapmak şu anda bilim kurgu olarak kalıyor. Şimdiye kadar, yaşam boyunca bir dış gezegeni ziyaret etmenin tek yolu, derin bir askıya alınmış animasyona dalmaktır. Ve yine de o kadar da kötü değil. Çoğu zaman görünür ışıktan bahsettik. Ancak gerçekte ışık bundan çok daha fazlasıdır. Radyo dalgaları ve mikrodalgalardan görünür ışığa, ultraviyole radyasyona, X ışınlarına ve atomların bozunurken yaydığı gama ışınlarına kadar bu güzel ışınların hepsi aynı şeyden yapılmıştır: fotonlar.

Fark enerjide ve dolayısıyla dalga boyundadır. Bu ışınlar hep birlikte elektromanyetik spektrumu oluşturur. Örneğin radyo dalgalarının ışık hızında gitmesi iletişim açısından inanılmaz derecede faydalıdır.

Araştırmasında Kolthammer, devrenin bir kısmından diğerine sinyal iletmek için fotonları kullanan bir devre yaratıyor, dolayısıyla ışığın inanılmaz hızının kullanışlılığı hakkında yorum yapma konusunda oldukça yetkin.

"Örneğin internetin ve radyonun altyapısını ondan önce ışığa dayalı olarak inşa etmiş olmamız, onu iletme kolaylığıyla ilgilidir" diye belirtiyor. Ve ışığın Evrenin iletişim gücü olarak hareket ettiğini ekliyor. Elektronlar içeri girdiğinde cep telefonu sallanmaya başlar, fotonlar dışarı fırlar ve diğer cep telefonundaki elektronların da sallanmasına neden olur. Bir telefon görüşmesi böyle doğar. Güneş'teki elektronların titremesi aynı zamanda büyük miktarlarda fotonlar da yayar; bunlar elbette ışık oluşturur, Dünya'ya ısı ve ışık verir.

Işık Evrenin evrensel dilidir. Hızı (299.792,458 km/s) sabit kalıyor. Bu arada uzay ve zaman şekillendirilebilir. Belki de ışıktan daha hızlı nasıl hareket edeceğimizi değil, bu uzayda ve bu zamanda nasıl daha hızlı hareket edebileceğimizi düşünmeliyiz? Tabiri caizse köke gitmek mi?