I september 2011 sjokkerte fysikeren Antonio Ereditato verden. Hans uttalelse kan gjøre vår forståelse av universet opp ned. Hvis dataene som ble samlet inn av de 160 OPERA-forskerne var riktige, ble det utrolige observert. Partikler - i dette tilfellet nøytrinoer - beveget seg raskere enn lys. I følge Einsteins relativitetsteori er dette umulig. Og konsekvensene av en slik observasjon ville være utrolige. Kanskje ville grunnleggende fysikk måtte revideres.
Mens Ereditato sa at han og teamet hans var "ekstremt selvsikre" i resultatene, sa de ikke at dataene var helt nøyaktige. Tvert imot, de ba andre forskere om å hjelpe dem med å finne ut hva som foregikk.
Til slutt viste det seg at OPERA-resultatene var gale. En dårlig tilkoblet kabel forårsaket et synkroniseringsproblem, og signalene fra GPS-satellittene var unøyaktige. Det var en uventet forsinkelse i signalet. Som et resultat viste målinger av tiden det tok for nøytrinoer å dekke en viss avstand ekstra 73 nanosekunder: det virket som om nøytrinoene fløy raskere enn lys.
Til tross for måneder med gransking før de startet eksperimentet og dobbeltsjekket dataene etterpå, tok forskerne alvorlig feil. Ereditato trakk seg, i motsetning til kommentarene fra mange om at slike feil alltid oppsto på grunn av den ekstreme kompleksiteten til enheten til partikkelakseleratorer.
Hvorfor forutsatte antagelsen - bare antakelsen - at noe kunne bevege seg raskere enn lys, en slik støy? Hvor sikre er vi på at ingenting kan overvinne denne barrieren?
La oss se på det andre av disse spørsmålene først. Lysets hastighet i et vakuum er 299.792.458 kilometer i sekundet - for enkelhets skyld er dette tallet avrundet til 300.000 kilometer i sekundet. Det er ganske raskt. Solen ligger 150 millioner kilometer fra Jorden, og lys fra den når jorden på bare åtte minutter og tjue sekunder.
Kan noen av kreasjonene våre konkurrere i løpet mot lys? En av de raskeste menneskeskapte objektene som noensinne er blitt bygd, New Horizons-romsonden suste forbi Pluto og Charon i juli 2015. Han nådde en hastighet i forhold til jorden på 16 km / s. Mye mindre enn 300 000 km / s.
Imidlertid hadde vi bittesmå partikler som beveget seg veldig raskt. På begynnelsen av 1960-tallet eksperimenterte William Bertozzi ved Massachusetts Institute of Technology med å akselerere elektroner til enda høyere hastigheter.
Salgsfremmende video:
Siden elektroner har en negativ ladning, kan de akselereres - mer presist avvises - ved å bruke den samme negative ladningen på materialet. Jo mer energi som brukes, desto raskere akselererer elektronene.
Man skulle tro at du bare trenger å øke den påførte energien for å akselerere til en hastighet på 300.000 km / s. Men det viser seg at elektronene bare ikke kan bevege seg så raskt. Bertozzis eksperimenter viste at bruk av mer energi ikke fører til en direkte proporsjonal økning i hastigheten på elektronene.
I stedet måtte enorme mengder ekstra energi tilføres for å endre hastigheten på elektronene enda litt. Det ble nærmere og nærmere lysets hastighet, men den nådde aldri den.
Se for deg å gå mot døren i små trinn, som hver kjører halvparten av avstanden fra din nåværende posisjon til døren. Strengt tatt vil du aldri komme til døra, for etter hvert trinn du tar, vil du ha en avstand å overvinne. Bertozzi sto overfor et slikt problem når han håndterte elektronene sine.
Men lys består av partikler som kalles fotoner. Hvorfor kan disse partiklene bevege seg med lysets hastighet, men elektroner kan ikke?
"Når gjenstander beveger seg raskere og raskere, blir de tyngre - jo tyngre de blir, jo vanskeligere er det for dem å akselerere, slik at du aldri kommer til lysets hastighet," sier Roger Rassoul, fysiker ved University of Melbourne i Australia. “Et foton har ingen masse. Hvis han hadde masse, kunne han ikke bevege seg med lysets hastighet."
Fotoner er spesielle. De mangler ikke bare masse, noe som gir dem full bevegelsesfrihet i romvakuumet, de trenger heller ikke å akselerere. Den naturlige energien de har til rådighet beveger seg i bølger, akkurat som de gjør, så på tidspunktet for opprettelsen har de allerede maksimal hastighet. På en måte er det lettere å tenke på lys som energi i stedet for en strøm av partikler, selv om lys i sannhet er begge deler.
Lyset går imidlertid mye saktere enn vi kan forvente. Mens internett-teknikere liker å snakke om kommunikasjon som fungerer med "lysets hastighet" i fiber, reiser lys 40% saktere i glasset til den fiberen enn det gjør i et vakuum.
I virkeligheten reiser fotoner med en hastighet på 300 000 km / s, men de møter en viss interferens, forstyrrelse forårsaket av andre fotoner som sendes ut av glassatomer når den viktigste lysbølgen passerer. Dette er kanskje ikke lett å forstå, men vi prøvde i det minste.
På samme måte, i rammen av spesielle eksperimenter med individuelle fotoner, var det mulig å bremse dem ganske imponerende. Men i de fleste tilfeller vil antallet 300 000 være gyldig. Vi har ikke sett eller opprettet noe som kan bevege seg så raskt, eller enda raskere. Det er spesielle punkter, men før vi berører dem, la oss ta på vårt andre spørsmål. Hvorfor er det så viktig at lyshastighetsregelen følges strengt?
Svaret har å gjøre med en mann som heter Albert Einstein, som ofte er tilfellet i fysikk. Hans spesielle relativitetsteori undersøker de mange konsekvensene av hans universelle fartsgrenser. Et av de viktigste elementene i teorien er ideen om at lysets hastighet er konstant. Uansett hvor du er eller hvor raskt du beveger deg, beveger lys alltid seg med samme hastighet.
Men dette har flere konseptuelle problemer.
Se for deg at lyset faller fra en lommelykt på et speil i taket på et stasjonært romfartøy. Lyset går opp, reflekteres fra speilet og faller på gulvet i romfartøyet. La oss si at han dekker en avstand på 10 meter.
Tenk deg at dette romfartøyet begynner å bevege seg i en stor hastighet på mange tusen kilometer i sekundet. Når du slår på lommelykten, oppfører lyset seg som før: det lyser oppover, treffer speilet og reflekteres på gulvet. Men for å gjøre dette, må lyset reise en diagonal avstand, ikke vertikal. Tross alt beveger speilet seg nå raskt med romskipet.
Følgelig øker avstanden som lyset beveger seg. La oss si 5 meter. Det viser seg 15 meter totalt, ikke 10.
Til tross for dette, selv om avstanden har økt, hevder Einsteins teorier at lys fremdeles vil bevege seg i samme hastighet. Siden hastighet er avstand delt på tid, siden hastighet forblir den samme og avstand øker, må også tiden øke. Ja, selve tiden må strekke seg. Selv om det høres rart ut, er det bekreftet eksperimentelt.
Dette fenomenet kalles tidsutvidelse. Tiden beveger seg saktere for folk som beveger seg i kjøretøy som beveger seg raskt, i forhold til de som står stille.
For eksempel går tiden 0,007 sekunder saktere for astronauter på den internasjonale romstasjonen, som beveger seg med en hastighet på 7,66 km / s i forhold til jorden sammenlignet med mennesker på planeten. Enda mer interessant er situasjonen med partikler som de nevnte elektronene, som kan reise nær lysets hastighet. Når det gjelder disse partiklene, vil retardasjonen være enorm.
Stephen Colthammer, en eksperimentell fysiker ved University of Oxford i Storbritannia, peker på et eksempel på partikler kalt muons.
Muoner er ustabile: de forfaller til enklere partikler. Så fort at de fleste av muonene som forlater solen, skal forfalle når de når jorden. Men i virkeligheten ankommer muoner til Jorden fra solen i store volum. Fysikere har lenge prøvd å finne ut hvorfor.
"Svaret på dette mysteriet er at muoner blir generert med så energi at de beveger seg i hastigheter nær lys," sier Kolthammer. "Deres følelse av tid, så å si, den interne klokken kjører sakte."
Muons "overlever" lenger enn forventet i forhold til oss, takket være den nåværende, naturlige krumningen av tiden. Når gjenstander beveger seg raskt i forhold til andre objekter, avtar også lengden deres. Disse konsekvensene, tidsutvidelse og lengde reduseres, er eksempler på hvordan romtid forandrer seg avhengig av bevegelsen av ting - meg, du eller romfartøyet - med masse.
Det som er viktig, som Einstein sa, påvirker ikke lyset, siden det ikke har noen masse. Dette er grunnen til at disse prinsippene går hånd i hånd. Hvis objekter kunne bevege seg raskere enn lys, ville de adlyde grunnleggende lover som beskriver hvordan universet fungerer. Dette er sentrale prinsipper. Nå kan vi snakke om noen få unntak og unntak.
På den ene siden, selv om vi ikke har sett noe bevege seg raskere enn lys, betyr ikke det at denne fartsgrensen ikke teoretisk kan brytes under veldig spesifikke forhold. Ta for eksempel utvidelsen av selve universet. Galakser i universet beveger seg vekk fra hverandre i hastigheter mye raskere enn lys.
En annen interessant situasjon gjelder partikler som deler de samme egenskapene samtidig, uansett hvor langt fra hverandre. Dette er den såkalte "kvanteforvikling". Fotonet vil rotere opp og ned, tilfeldig velge mellom to mulige tilstander, men valget av rotasjonsretning vil reflektere nøyaktig på det andre fotonet et annet sted hvis de er viklet inn.
To forskere, som studerer hvert sitt foton, vil få samme resultat samtidig, raskere enn lysets hastighet tillater.
I begge disse eksemplene er det imidlertid viktig å merke seg at ingen informasjon reiser raskere enn lysets hastighet mellom to objekter. Vi kan beregne utvidelsen av universet, men vi kan ikke observere gjenstander raskere enn lys i det: de er forsvunnet fra synsfeltet.
Når det gjelder de to forskerne med sine fotoner, selv om de kunne oppnådd det samme resultatet på samme tid, kunne de ikke la hverandre vite om det raskere enn lyset beveger seg mellom dem.
"Dette utgjør ikke noe problem for oss, fordi hvis du er i stand til å sende signaler raskere enn lys, får du bisarre paradokser hvor informasjonen på en eller annen måte kan reise tilbake i tid," sier Kolthammer.
Det er en annen mulig måte å gjøre raskere enn lett reise teknisk mulig: rift i romtid som gjør at reisende kan unngå reglene for normal reise.
Gerald Cleaver fra Baylor University i Texas mener at vi en dag kan være i stand til å bygge et romskip som reiser raskere enn lys. Som beveger seg gjennom et ormhull. Ormehull er løkker i romtid som passer perfekt inn i Einsteins teorier. De kunne la en astronaut hoppe fra den ene enden av universet til den andre ved hjelp av en anomali i romtiden, en form for kosmisk snarvei.
En gjenstand som ferdes gjennom et ormhull vil ikke overskride lysets hastighet, men kan teoretisk sett nå målet sitt raskere enn lyset som ferdes langs den "normale" stien. Men ormehull er kanskje ikke tilgjengelig for romfart. Kan det være en annen måte å aktivt fordreie romtiden for å bevege seg raskere enn 300.000 km / s i forhold til noen andre?
Cleaver utforsket også ideen om en "Alcubierre-motor" foreslått av teoretisk fysiker Miguel Alcubierre i 1994. Han beskriver en situasjon der romtid sammentrekker seg foran romfartøyet, skyver det fremover, og utvider seg bak det, og skyver det også fremover. "Men da," sier Cleaver, "oppsto det problemer: hvordan man gjør det og hvor mye energi som skulle trengs."
I 2008 beregnet han og doktorgradsstudenten Richard Aubosie hvor mye energi som skulle trengs.
"Vi forestilte oss et romfartøy på 10 m x 10 m x 10 m - 1000 kubikk - og beregnet at mengden energi som kreves for å starte prosessen, ville være lik massen til hele Jupiter."
Etter det må energien kontinuerlig "helles" slik at prosessen ikke tar slutt. Ingen vet om dette noen gang vil være mulig, eller hvordan de nødvendige teknologiene vil være. "Jeg vil ikke bli sitert på flere hundre år som å forutsi noe som aldri vil skje," sier Cleaver, "men jeg ser ikke løsninger ennå."
Så, reise raskere enn lysets hastighet forblir en fantasi for øyeblikket. Så langt er den eneste måten å besøke en exoplanet i løpet av livet å kaste seg ut i dypt suspendert animasjon. Og likevel er det ikke alt ille. I de fleste tilfeller snakket vi om synlig lys. Men i virkeligheten er lys mye mer. Fra radiobølger og mikrobølger til synlig lys, ultrafiolett stråling, røntgenstråler og gammastråler som avgis av atomer når de forfaller, består disse vakre strålene av samme ting: fotoner.
Forskjellen er i energi, som betyr i bølgelengde. Til sammen utgjør disse strålene det elektromagnetiske spekteret. At radiobølger for eksempel reiser med lysets hastighet, er utrolig nyttig for kommunikasjon.
I forskningen sin lager Kolthammer en krets som bruker fotoner for å overføre signaler fra en del av kretsen til en annen, så han fortjener retten til å kommentere nytten av den utrolige lyshastigheten.
"Det faktum at vi bygde infrastrukturen på Internett, for eksempel, og før det radioen baserte på lys, har å gjøre med det enkle vi kan overføre det," bemerker han. Og han legger til at lys fungerer som universets kommunikasjonskraft. Når elektronene i en mobiltelefon begynner å riste, flyr fotoner ut og får også elektronene i den andre mobiltelefonen til å riste. Slik blir en telefonsamtale født. Skjelvingene til elektroner i solen avgir også fotoner - i enorme mengder - som selvfølgelig danner lyset som gir liv på jorda varme og, ahem, lys.
Lys er universets universelle språk. Hastigheten - 299 792.458 km / s - forblir konstant. I mellomtiden er rom og tid formbare. Kanskje vi ikke bør tenke på hvordan vi beveger oss raskere enn lys, men hvordan vi beveger oss raskere gjennom dette rommet og denne gangen? Å modnes ved roten, så å si?
