10.10.16


През месец септември 2011 година физикът Антонио Ередитато излиза пред научната общност с шокиращо съобщение. Анонсът му е такъв, че буквално би преобърнал разбиранията ни за Вселената. Ако данните, събрани от 160-те учени от екипа, работещ в рамките на проекта "OPERA" се окажат верни, ще е налице доказателство, че са регистрирали нещо немислимо.
В конкретния случай се касае за частици - и по-точно, неутрони - движещи се със скорост по-голяма от тази на светлината.

Според постулатите на Теорията на относителността на Айнщайн, нищо не е в състояние да пътува с по-висока скорост от светлината. Последиците от показване на противното наистина биха били огромни. Много, ако не и целият фундамент на физиката, би следвало да бъде преразгледан.

Ередитато и екипът му заявяват, че "са достатъчно сигурни" в данните си, но не твърдят, че са абсолютно точни. Всъщност, те търсят помощ от колегите си по цял свят, за да им помогнат в разбирането на това, какво всъщност са регистрирали.

В крайна сметка се оказва, че резултатите на OPERA не са коректни. Проблемът е в измерването на времето, а грешката е предизвикана от зле закрепен кабел, по който трябва да се предават точни сигнали от GPS сателити. Заради това се получава нежелано забавяне в предаването на сигнала. Вследствие на забавянето, измерването на времето, необходимо на неутроните за преодоляването на определена дистанция, се оказва грешно - разликата е само 73 наносекунди, но това в крайна сметка прави нещата да изглеждат така, все едно частиците са пътували със скорост, надвишаваща тази на светлината.

Въпреки месеците на внимателно планиране на експеримента, двойните и тройни проверки и проверки на проверките, този път учените се оказват в грешка. Ередитато подава оставка, независимо, че никой не го обвинява в нищо, тъй като в подобни сложни устройства като ускорителите на частици, постоянно се допускат грешки.

Всъщност, въпросът е, защо е толкова голям проблем да се предположи - дори и само хипотетично - че нещо може да се движи по-бързо от светлината? И изобщо, абсолютно сигурни ли сме, че нищо не е в състояние да го направи?

Да започнем с втората част на въпроса. Скоростта на светлината във вакуум е 299 792,458 км/секунда (съвсем малко не ѝ достига за кръглото 300 000 км/секунда). Това си е доста бързичко. Слънцето се намира на средна дистанция от 150 милиона километра от Земята и на излъчената от него светлина са ѝ нужни 8 минути и 20 секунди, за да измине това разстояние.

Възможно ли е някое от творенията на човек, да се надпреварва със светлината? Един от най-бързо движещите се обекти, които сме създали, е космическата сонда New Horizons, която през юли 2015 година достигна до орбитата на планетата Плутон. Скоростта, с която апаратът се движи спрямо Земята, е едва 16 км/секунда, което е много-много далеч от 300 000 км/секунда.


Но човек се е научил да "подкарва" елементарни частици с много по-високи скорости. В началото на 60-те години на ХХ век Уилям Бертоци от Масачузетския Технологичен институт провежда експерименти по ускоряване на електрони до все по-високи скорости.

Електроните са носители на отрицателен заряд. Това прави възможно да бъдат ускорени - или по-точно казано, изтласкани - като им бъде приложен същия по количество положителен заряд. Колкото повече енергия се приложи, толкова повече може да се ускорят електроните.

Може би звучи логично, че увеличаването на енергията в достатъчни количества би довело до преминаване на границата от 300 000 км/секунда, но се оказва, че това не е възможно - електроните не могат да се движат толкова бързо. В експериментите на Бертоци става ясно, че използването на повече енергия не предизвиква пропорционално увеличаване на скоростта на електроните.

Вместо това, налага се да се прилагат все по-големи количества енергия, за да се постигне все по-малко увеличение в скоростта на електроните. Доближават се до скорости близки на светлината, но никога не я достигат.
Представете си, че се движите към отворена врата чрез поредица от ходове. При всеки следващ ход изминавате разстояние, равно на половината от това, на което се намирате в момента и вратата. Строго погледнато, никога няма да достигнете до вратата, защото след всеки ход между вас и нея ще има два пъти по-голяма дистанция, отколкото можете да изминете в следващата си крачка. Това е проблемът, с който Бертоци се сблъсква по време на експериментите му с електроните.


Светлината обаче е проявление на частици, наречени фотони. Защо тези частици могат да пътуват с такава скорост, с която частици като електрона не могат?

"Когато един обект се движи все по-бързо и по-бързо, той става все по-тежък. А колкото по-тежък е един обект, толкова по-трудно се ускорява и това го ограничава в достигането до скоростта, с която се движи светлината. Фотонът всъщност няма маса; ако имаше такава, нямаше да може да се движи със скоростта на светлината". Това е простото обяснение, което дава пред BBC Earth Роджър Расъл, физик от Университета на Мелбърн, Австралия.

Фотоните са доста особени частици. Не само, че не притежават маса, което им дава свободата да "фучат" из вакуума на пространството с максимална скорост; те не се нуждаят и от ускорение, за да го правят. Естеството на енергията, която притежават, носейки се под формата на вълни, означава, че още в момента на възникването им, те вече са ускорени до максимална скорост.

В действителност, в някои отношения е по-разумно на светлината да се гледа като на източник на енергия, а не като на поток от частици, макар че - да, объркващо звучи - и двете са верни твърдения. 
И все пак, светлината понякога изглежда, че пътува със скорост по-ниска от тази, която очакваме. Интернет специалистите нерядко говорят за "комуникации, извършващи се със скоростта на светлината", когато стане дума за предаването на данни по оптични влакна. Истината обаче е, че в стъклото на оптичните влакна светлината пътува с около 40% по-бавно, отколкото във вакуум. Реално фотоните пак се движат с почти 300 000 км/секунда, но по пътя си се натъкват на един вид смущения, предизвикани от отделящите се от стъклото фотони, освободени от преминаването на вълната от основната светлина. Концепцията е малко сложна да си я представи на ум човек, но трябва да се има предвид.

По същия начин, специални експерименти проведени с единични фотони показват, че те могат да бъдат забавяни, като се променя "формата" им.


Но все пак, за по-голямата част от случаите е справедливо да се говори, че светлината се движи с почти 300 000 км/секунда. Наистина не сме наблюдавали, а още по-малко - сътворили нещо, което да се движи по-бързо. Има няколко по-специални случая, които следва да опишем по-долу, но първо да се справим с другия въпрос: защо е толкова важно, строго да се изпълнява законът за пределната скорост на светлината?

Отговорът отново се крие в Теорията на относителността на Алберт Айнщайн. Специалната теория на относителността изследва много от последиците от универсалното ограничение на скоростта. Един от най-важните елементи в теорията е идеята, че скоростта на светлината е постоянна. Без значение къде се намирате или колко бързо се движите, светлина винаги пътува с една и съща скорост.

И това създава някои концептуални проблеми.
Представете си светлината от фенерче, насочена към огледало на тавана на неподвижен космически кораб. Светлината ще пътува до огледалото, ще се отрази от него и после ще попадне върху пода на кораба. Да приемем, че изминава разстояние от 10 метра.

Сега си представете, че космическият кораб се движи с изправящата косите скорост от няколко хиляди километра в секунда. Когато насочим лъча от фенерчето отново към огледалото на тавана на космическия кораб, светлината все така ще достигне до него, ще се отрази и ще попадне на пода. Но за да го направи, ще ѝ се наложи да пропътува дистанцията по диагонал, а не само вертикално. Защото нашето огледало, заедно с целия кораб, се движи много бързо.

Дистанцията, която трябва да преодолее светлината, се е увеличила. Да приемем, че това увеличение е равно на 5 метра. И пътят, който трябва да измине светлината вече не е 10, а 15 метра.
И все пак, въпреки че дистанцията се е увеличила, теорията на Айнщайн настоява, че светлината ще се движи все с една и съща скорост. И понеже скоростта се равнява на разстоянието, разделено на времето, за което е  изминато, то при по-голямо разстояние, трябва и времето да се е увеличило. Точно така, самото време трябва да се "разтегли". Звучи шантаво, но е доказано експериментално.

Феноменът се нарича разтегляне на времето. Това означава, че времето се забавя за хората, пътуващи в бързо движещи се превозни средства, спрямо протичането на времето за хората в стационарна позиция.
Например, времето тече с 0,007 секунди по-бавно за астронавтите на борда на Международната космическа станция, отколкото за хората на планетата. МКС се движи със скорост от 7,66 км/секудна спрямо Земята.

Нещата стават по-интересни за частици, като електроните, например, които могат да пътуват със скорости близки до тази на светлината. За ускорени до тези скорости частици, степента на разтегляне на времето може да бъде наистина голяма.

Стивън Колтхамър, специалист по експериментална физика от Оксфордския университет, дава пример, в който участват частици, наречени мюони. Мюоните са нестабилни: бързо се разпадат на по-прости частици. Разпадането им се случва толкова бързо, че повечето мюони, напуснали Слънцето, трябва да са се разпаднали далеч преди времето да достигнат до Земята. Реално обаче, голям брой от излъчените от Слънцето мюони достигат до Земята. Това е факт, който е труден за разбиране и осмисляне, казват учените.


"Отговорът в този пъзел е, че мюоните са генерирани с толкова много енергия, че се движат със скорости, близки до светлинната. Тяхното "усещане" за времето, ако щете, техният вътрешен часовник, на практика работи много бавно", казва Колтхамър.
Мюоните "оцеляват" по-дълго от очакваното относително нас, благодарение на едно съвсем истинско и естествено усукване на времето.

Когато обект се движи бързо спрямо други обекти, дължината му намалява. Тези последици - временното разтегляне на времето и намаляване на дължината - са пример за това, как пространство-времето се променя за бързо движещите се неща - като нас, като космическите кораби - изобщо за всичко, което притежава маса.

От огромно значение е, както казва Айнщайн, светлината да не изпитва същите последствия - защото не притежава маса. Ето защо е толкова важно, всички тези принципни положения да вървят ръка за ръка. Ако нещата можеха да се движат по-бързо от светлината, тя няма да се подчиняват на тези фундаментални закони, които описват как точно "работи" Вселената.

Това обобщава ключовите принципи. Сега е момента, да споменем, че са възможни изключения и да направим някои уговорки. Това, че до момента не сме регистрирали и наблюдавали нещо, което да се движи по-бързо от светлината, не означава, че теоретично не е възможно нещо да надскочи тази бариера при определени, много специални условия.
Вземете, например, разширяването на самата Вселена. Има галактики във Вселената, които се движат една спрямо друга (т.е. относителната им) със скорост по-голяма от скоростта на светлината.


Друг интересен феномен се касае за частици, които проявяват едни и същи свойства по едно и също време, независимо колко далеч една от друга се намират. Явлението се нарича "квантово заплитане". Накратко, ако два фотона са "квантово заплетени", единият фотон ще приема на произволен принцип едно от двете възможни състояния, огледално отразявайки промяната в състоянието на другия фотон, намиращ се някъде другаде в пространството. Двама учени, проучващи всеки своя протон, ще разполагат с един и същи резултат в едно и също време, което е по-бързо от светлината.

Въпреки това, в тези два примера е важно да се отбележи, че информация между двата обекта не се предава с по-голяма от скоростта на светлината.
Можем да изчислим разширяването на Вселената, но не можем да наблюдаваме никой обект, по-бърз от светлината; те са изчезнали от полезрението ни.

В случая с двамата физици и техните фотони: да, те могат да получат резултат едновременно, но не могат да потвърдят един на друг факта на получаването резултат, по-бързо, отколкото светлината. "Това пък ни избавя от всякакви проблеми, защото ако сме в състояние да изпращаме сигнали по-бързо от светлината, можем да се заплетем в странни парадокси, при които информацията по някакъв начин може да се върне назад във времето", обяснява Колтхамър.

Хипотетично съществува още един начин да се пътува със скорост, превишаваща светлинната - разкъсвания в самото пространство-време, което би позволило на пътуващия да преодолее правилата за "нормално" пътуване.


Джералд Клийвър от Университета Бейлър в Тексас, разглежда възможността някога да създадем космически кораб, способен да се движи със свръхсветлинна скорост. Един от начините да осъществим подобно пътуване, е да използваме т.нар. "червееви дупки". Това са усуквания в пространство-времето, които са в пълно съответствие с теорията на Айнщайн. Подобни "структури" теоретично позволяват да се прескача директно от едно място във Вселената на друго, използвайки аномалия в пространство-времето - нещо като космически "пряк път".
Обект, пътуващ през "червеева дупка" няма да се движи със скорост, надвишаваща светлинната, но теоретично ще може да достигне до определена дестианция по-бързо, отколкото светлината, пътуваща през "нормалното" пространство. "Червеевите дупки" обаче може да се окажат недостъпни за пътуване в космоса. Какво ще се случи, ако по контролиран начин успеем да усучем пространство-времето, за да пътуваме със скорост, надвишаваща 300 000 км/секунда спрямо някого другиго?

Клийвър разглежда идеята, известна като "двигател на Алкубиере", която през 1994 година представя физикът-теоретик Мигел Алкубиере. По същество, тя описва ситуация, в която пространство-времето се нагъва от предната част на хипотетичен космически кораб, изтегляйки го напред, а в същото време в задната част на кораба континуумът се разширява, създавайки ефект на изтласкване.
"Появяват се веднага въпросите, как точно да се осъществи това и колко енергия ще е необходима", обяснява Клийвър.

През 2008 година той и ученикът му Ричард Обози изчисляват каква енергия ще е необходима за задвижването на подобен космически кораб. "Изчислихме, че ако предположим, че корабът е с размери 10х10х10 метра (т.е. 1000 кубични метра), количеството енергия, необходима за стартиране на процеса по нагъване и разширяване на пространство-времето, ще е колкото може да се генерира от тяло с масата на Юпитер.

След това ще трябва да се подава постоянно същото количество енергия, за да не се прекъсне процеса. Никой не е в състояние да каже, дали някога ще е по силите ни да създадем технология, способна да обезпечава такива енергийни нужди. Не искам след векове някой да цитира думите ми, че това е невъзможно, но за момента не виждам практически решения на този проблем", казва Клийвър.

Казано с други думи, засега пътуването със свръхсветлинни скорости си остава само фантазия.

Колкото и разочароващо да звучи, светлината е най-бързото нещо. Всъщност, до тук говорихме за светлината, подразбирайки видимата част от спектъра ѝ. Светлината обаче е много повече от това.
Всичко - от радиовълните, през микровълновото лъчене до видимата светлина и ултравиолетовата радиация, рентгеновите лъчи и гама лъчите, излъчвани при разпада на атомите - всички тези "фантастични" лъчения са изградени от един и същ материал: фотоните. Разликата е в енергията им, а от там - в дължината на вълната. Сумарно тези лъчения съставлява спектъра на електромагнитни излъчвания. Фактът, че радиовълните се движат със скоростта на светлината е изключително важен за комуникациите ни, например.


В изследването си Колтхамър изгражда вериги, които използват фотони, за да предават сигнали от една част на системата до друга. Той разполага с достатъчно познания и доводи, за да коментира ползите от пренасянето на информация със страхотната скорост на светлината. "Идеята да изграждаме инфраструктурата на интернет например, а преди това и на радиовълните, със сигурност има много общо с лекотата, с която можем да предаваме информация с ненадмината скорост на светлината", обяснява Колтхамър.
Той добавя, че светлината играе ролята на "силата на комуникацията" във Вселената. И това може да го разберете по примера на мобилните си телефони: когато електроните от радиовълните, излъчени от телефона ви достигнат до приемната антена на GSM-станцията, те карат фотоните да предадат по оптичните влакна сигнала, който отново се преобразува от друга GSM-станция в радиовълни и кара електроните в телефона на човека, когото търсите, "да му предадат онова, което имате да му кажете". Този процес прави възможно комуникирането ни по мобилните телефони.

Електроните в атомите на нашето Слънце по подобен начин пораждат фотони - в невъобразимо огромни количества - които са светлината, подхранваща живота на Земята.
Светлината е излъчването на Вселената. Скоростта ѝ – 299 792,458 км/секунда - си остава успокоително неизменна навсякъде в необятния космос. В същото време пространство-времето е гъвкаво и това позволява на всеки и всичко, съществуващо в континуума, да изпитва въздействието на едни и същи закони на физиката, без значение къде се намира и как се движи.

В крайна сметка, кому е нужно да пътува по-бързо от светлината? Вселената е шоу, което е прекалено красиво, за да бързаме да го пропуснем.


0 коментара:

Публикуване на коментар