I september 2011 chokerede fysiker Antonio Ereditato verden. Hans udsagn kunne vende vores forståelse af universet på hovedet. Hvis de data, der blev indsamlet af de 160 OPERA-forskere, var korrekte, blev det utrolige observeret. Partikler - i dette tilfælde neutrinoer - bevægede sig hurtigere end lys. I henhold til Einsteins relativitetsteori er dette umuligt. Og konsekvenserne af en sådan observation ville være utrolige. Måske ville selve fysikens fundament være nødt til at blive revideret.
Mens Ereditato sagde, at han og hans team var “ekstremt selvsikker” i deres resultater, sagde de ikke, at dataene var helt nøjagtige. Tværtimod bad de andre forskere om at hjælpe dem med at finde ud af, hvad der foregik.
I sidste ende viste det sig, at OPERA-resultaterne var forkerte. Et dårligt tilsluttet kabel forårsagede et synkroniseringsproblem, og signalerne fra GPS-satellitterne var unøjagtige. Der var en uventet forsinkelse i signalet. Som et resultat viste målinger af den tid, det tog for neutrinoer at dække en bestemt afstand, 73 nanosekunder ekstra: det så ud til, at neutrinoerne fløj hurtigere end lys.
På trods af måneders undersøgelse, før eksperimentet startede og dobbeltkontrol af dataene bagefter, tog forskerne alvorligt fejl. Ereditato trak sig i modsætning til bemærkningerne fra mange om, at sådanne fejl altid opstod på grund af den ekstreme kompleksitet af enheden med partikelacceleratorer.
Hvorfor antog antagelsen - bare antagelsen - om, at noget kunne bevæge sig hurtigere end lys, sådan en støj? Hvor sikre er vi på, at intet kan overvinde denne barriere?
Lad os se på det andet af disse spørgsmål først. Lysets hastighed i et vakuum er 299.792.458 kilometer i sekundet - for nemheds skyld afrundes dette nummer op til 300.000 kilometer i sekundet. Det er ret hurtigt. Solen ligger 150 millioner kilometer fra Jorden, og lys fra den når Jorden på kun otte minutter og tyve sekunder.
Kan nogen af vores kreationer konkurrere i løbet mod lys? En af de hurtigste menneskeskabte objekter nogensinde er bygget, New Horizons-rummet, der susede forbi Pluto og Charon i juli 2015. Han nåede en hastighed i forhold til Jorden på 16 km / s. Meget mindre end 300.000 km / s.
Vi havde dog små partikler, der bevægede sig meget hurtigt. I de tidlige 1960'ere eksperimenterede William Bertozzi ved Massachusetts Institute of Technology med at accelerere elektroner til endnu højere hastigheder.
Salgsfremmende video:
Da elektroner har en negativ ladning, kan de accelereres - mere præcist afvises - ved at anvende den samme negative ladning på materialet. Jo mere energi der anvendes, jo hurtigere accelererer elektronerne.
Man skulle tro, at man bare skal øge den anvendte energi for at accelerere til en hastighed på 300.000 km / s. Men det viser sig, at elektroner bare ikke kan bevæge sig så hurtigt. Bertozzis eksperimenter viste, at brug af mere energi ikke fører til en direkte proportionel stigning i elektronernes hastighed.
I stedet måtte enorme mængder ekstra energi påføres for at ændre elektronernes hastighed endda lidt. Det blev nærmere og tættere på lysets hastighed, men det nåede aldrig den.
Forestil dig at gå mod døren i små trin, som hver rejser halvdelen af afstanden fra din aktuelle position til døren. Strengt taget kommer du aldrig til døren, for efter hvert trin, du tager, har du en afstand at overvinde. Bertozzi stod over for et sådant problem, når han håndterede sine elektroner.
Men lys består af partikler kaldet fotoner. Hvorfor kan disse partikler bevæge sig med lysets hastighed, men elektroner kan ikke?
”Når objekter bevæger sig hurtigere og hurtigere, bliver de tungere - jo tungere de bliver, jo sværere er det for dem at accelerere, så man kommer aldrig til lysets hastighed,” siger Roger Rassoul, fysiker ved University of Melbourne i Australien.”En foton har ingen masse. Hvis han havde masse, kunne han ikke bevæge sig med lysets hastighed."
Fotoner er specielle. De mangler ikke kun masse, hvilket giver dem fuldstændig bevægelsesfrihed i rumvakuumet, de behøver heller ikke at accelerere. Den naturlige energi, de har til rådighed, bevæger sig i bølger, ligesom de gør, så på tidspunktet for deres oprettelse har de allerede maksimal hastighed. På en måde er det lettere at tænke på lys som energi snarere end en strøm af partikler, selvom lyset i sandhed er begge dele.
Lyset kører imidlertid meget langsommere, end vi kunne forvente. Mens internet-teknikere gerne taler om kommunikation, der fungerer med "lysets hastighed" i fiber, bevæger lys sig 40% langsommere i glasset med den fiber, end det gør i et vakuum.
I virkeligheden kører fotoner med en hastighed på 300.000 km / s, men de støder på en vis interferens, interferens forårsaget af andre fotoner, der udsendes af glasatomerne, når den vigtigste lysbølge passerer. Dette er måske ikke let at forstå, men vi prøvede i det mindste.
På samme måde var det inden for rammerne af specielle eksperimenter med individuelle fotoner muligt at bremse dem ganske imponerende. Men i de fleste tilfælde er antallet af 300.000 gyldigt. Vi har ikke set eller skabt noget, der kan bevæge sig så hurtigt eller endda hurtigere. Der er særlige punkter, men inden vi rører ved dem, lad os røre ved vores andet spørgsmål. Hvorfor er det så vigtigt, at lyshastighedsreglen følges strengt?
Svaret har at gøre med en mand ved navn Albert Einstein, som ofte er tilfældet i fysik. Hans specielle relativitetsteori undersøger de mange konsekvenser af hans universelle hastighedsgrænser. Et af de vigtigste elementer i teorien er tanken om, at lysets hastighed er konstant. Uanset hvor du er, eller hvor hurtigt du bevæger dig, bevæger lys sig altid med samme hastighed.
Men dette har adskillige konceptuelle problemer.
Forestil dig lys, der falder fra en lommelygte på et spejl i loftet på et stationært rumfartøj. Lyset går op, reflekteres fra spejlet og falder på rumfartøjets gulv. Lad os sige, at han dækker en afstand på 10 meter.
Forestil dig nu, at dette rumfartøj begynder at bevæge sig i en kolossal hastighed på mange tusinder af kilometer i sekundet. Når du tænder lommelygten, opfører sig lyset sig som før: det skinner opad, rammer spejlet og reflekteres på gulvet. Men for at gøre dette, er lyset nødt til at køre en diagonal afstand, ikke en lodret. Når alt kommer til alt bevæger spejlet sig nu hurtigt med rumfartøjet.
Følgelig øges afstanden, som lyset bevæger sig. Lad os sige 5 meter. Det viser sig at være 15 meter i alt, ikke 10.
På trods af dette, selv om afstanden er steget, hævder Einsteins teorier, at lys stadig vil bevæge sig med samme hastighed. Da hastighed er afstand divideret med tid, da hastighed forbliver den samme og afstand øges, skal tiden også stige. Ja, selve tiden skal strække sig. Selvom det lyder underligt, er det blevet bekræftet eksperimentelt.
Dette fænomen kaldes tidsudvidelse. Tiden bevæger sig langsommere for folk, der rejser i køretøjer, der bevæger sig hurtigt, i forhold til dem, der er stille.
For eksempel går tiden 0,007 sekunder langsommere for astronauter på den internationale rumstation, der bevæger sig med 7,66 km / s i forhold til Jorden, sammenlignet med mennesker på planeten. Endnu mere interessant er situationen med partikler som de førnævnte elektroner, der kan rejse tæt på lysets hastighed. For disse partikler vil graden af deceleration være enorm.
Stephen Colthammer, en eksperimentel fysiker ved University of Oxford i Storbritannien, peger på et eksempel på partikler kaldet muons.
Muoner er ustabile: de nedbrydes hurtigt til enklere partikler. Så hurtigt, at de fleste af de muoner, der forlader solen, skulle henfalde, når de når Jorden. Men i virkeligheden ankommer muoner til Jorden fra solen i kolossale volumener. Fysikere har længe forsøgt at finde ud af hvorfor.
”Svaret på dette mysterium er, at muoner genereres med så energi, at de bevæger sig i hastigheder tæt på lys,” siger Kolthammer. "Deres sans for tid, så at sige, deres interne ur kører langsomt."
Muons "overlever" længere end forventet i forhold til os takket være den nuværende, naturlige krumning af tid. Når objekter bevæger sig hurtigt i forhold til andre objekter, falder deres længde også, kontrakterer. Disse konsekvenser, tidsudvidelse og længde mindskes, er eksempler på, hvordan rumtid ændrer sig afhængigt af bevægelsen af ting - mig, dig eller rumfartøjet - med masse.
Hvad der er vigtigt, som Einstein sagde, påvirker ikke lyset, da det ikke har nogen masse. Dette er grunden til, at disse principper går hånd i hånd. Hvis genstande kunne bevæge sig hurtigere end lys, ville de adlyde grundlæggende love, der beskriver, hvordan universet fungerer. Dette er centrale principper. Nu kan vi tale om et par undtagelser og undtagelser.
På den ene side, selvom vi ikke har set noget bevæge sig hurtigere end lys, betyder det ikke, at denne hastighedsgrænse ikke teoretisk kan brydes under meget specifikke forhold. Tag for eksempel udvidelsen af selve universet. Galakser i universet bevæger sig væk fra hinanden i hastigheder meget hurtigere end lys.
En anden interessant situation vedrører partikler, der deler de samme egenskaber på samme tid, uanset hvor langt fra hinanden. Dette er den såkaldte "kvanteforvikling". Fotonen roterer op og ned og vælger tilfældigt mellem to mulige tilstande, men valget af rotationsretning reflekterer nøjagtigt på den anden foton et andet sted, hvis de er sammenfiltret.
To forskere, der studerer hver deres foton, vil få det samme resultat samtidig, hurtigere end lysets hastighed ville tillade.
I begge disse eksempler er det dog vigtigt at bemærke, at ingen information rejser hurtigere end lysets hastighed mellem to objekter. Vi kan beregne universets udvidelse, men vi kan ikke observere genstande hurtigere end lys i det: de er forsvundet fra synsfeltet.
Hvad angår de to videnskabsfolk med deres fotoner, selvom de kunne få det samme resultat på samme tid, kunne de ikke lade hinanden vide om det hurtigere, end lyset bevæger sig mellem dem.
”Dette udgør ikke noget problem for os, fordi hvis du er i stand til at sende signaler hurtigere end lys, får du bizarre paradokser, hvorefter information på en eller anden måde kan rejse tilbage i tiden,” siger Kolthammer.
Der er en anden mulig måde at gøre hurtigere end lys let teknisk muligt: skift i rumtid, der gør det muligt for rejsende at undgå reglerne for normal rejse.
Gerald Cleaver fra Baylor University i Texas mener, at vi en dag muligvis kan bygge et rumfartøj, der rejser hurtigere end lys. Hvilket bevæger sig gennem et ormhul. Ormehuller er løkker i rumtid, der passer perfekt til Einsteins teorier. De kunne tillade en astronaut at hoppe fra den ene ende af universet til den anden ved hjælp af en anomali i rumtiden, en form for kosmisk genvej.
Et objekt, der rejser gennem et ormehul, vil ikke overskride lysets hastighed, men kan teoretisk nå sin destination hurtigere end lys, der kører langs den "normale" sti. Men ormehuller er muligvis overhovedet ikke tilgængelige for rumrejser. Kunne der være en anden måde at aktivt fordreje mellemrum for at bevæge sig hurtigere end 300.000 km / s i forhold til en anden?
Cleaver udforskede også ideen om en "Alcubierre-motor" foreslået af teoretisk fysiker Miguel Alcubierre i 1994. Han beskriver en situation, hvor rumtid sammentrækkes foran rumfartøjet, skubber det fremad og ekspanderer bag det og skubber det også fremad. "Men så," siger Cleaver, "opstod der problemer: hvordan man gør det, og hvor meget energi der ville være behov for."
I 2008 beregnet han og hans kandidatstuderende Richard Aubosie, hvor meget energi der ville være behov for.
"Vi forestillede os et rumfartøj på 10 m x 10 m x 10 m - 1.000 kubikmeter - og beregnet, at den nødvendige mængde energi til at starte processen ville svare til massen af en hel Jupiter."
Derefter skal energien konstant "hældes", så processen ikke slutter. Ingen ved, om dette nogensinde vil være muligt, eller hvordan de krævede teknologier vil være.”Jeg vil ikke blive citeret i århundreder som at forudsige noget, der aldrig vil ske,” siger Cleaver,”men jeg ser ikke løsninger endnu.
Så rejser hurtigere end lysets hastighed forbliver en fantasi i øjeblikket. Indtil videre er den eneste måde at besøge en exoplanet i løbet af livet at dyppe ned i dybt ophængt animation. Og alligevel er det ikke alt sammen dårligt. I de fleste tilfælde talte vi om synligt lys. Men i virkeligheden er lys meget mere. Fra radiobølger og mikrobølger til synligt lys, ultraviolet stråling, røntgenstråler og gammastråler udsendt af atomer, når de forfalder, består disse smukke stråler alle af den samme ting: fotoner.
Forskellen er i energi, hvilket betyder bølgelængde. Tilsammen udgør disse stråler det elektromagnetiske spektrum. Det at radiobølger for eksempel kører med lysets hastighed er utroligt nyttigt til kommunikation.
I sin forskning skaber Kolthammer et kredsløb, der bruger fotoner til at overføre signaler fra en del af kredsløbet til en anden, så han fortjener retten til at kommentere nytten af den utrolige lyshastighed.
”Selve det faktum, at vi f.eks. Byggede infrastrukturen på Internettet og før radioen var baseret på lys, har at gøre med den lethed, hvorpå vi kan transmittere den,” bemærker han. Og han tilføjer, at lys fungerer som universets kommunikationskraft. Når elektronerne i en mobiltelefon begynder at ryste, flyver fotoner ud og får også elektronerne i den anden mobiltelefon til at ryste. Sådan fødes et telefonopkald. Rystelser af elektroner i solen udsender også fotoner - i enorme mængder - som naturligvis danner det lys, der giver liv på Jorden varme og, ahem, lys.
Lys er universets universelle sprog. Dets hastighed - 299 792.458 km / s - forbliver konstant. I mellemtiden er plads og tid formbare. Måske skal vi ikke tænke på, hvordan vi bevæger os hurtigere end lys, men hvordan vi bevæger os hurtigere gennem dette rum og denne gang? At modne ved roden, så at sige?
