De ce nimic nu este mai rapid decât lumina?

conținut

• Video: va depăși lumina posibil?
• Video: viteza luminii în univers mai repede decât viteza luminii și spațiu, viteza maximă în cosmos

În septembrie 2011, fizicianul Antonio Ereditato aruncat lumea în stare de șoc. Declarația sa ar putea revoluționa înțelegerea noastră a universului. În cazul în care datele colectate de 160 de oameni de știință de proiect OPERA au fost corecte, a fost incredibil. Particulele - în acest caz, neutrinii - se mișcau mai repede decât lumina. Conform teoriei relativității a lui Einstein, este imposibil. Iar consecințele unei astfel de monitorizări ar fi fost incredibil. S-ar putea să reconsidere chiar fundamentele fizicii.

Deși Ereditato a spus ca el si echipa sa au fost „foarte încrezător“ în rezultatele lor, ei nu au spus că datele au fost complet exacte. Dimpotrivă, au cerut alți oameni de știință pentru a ajuta să înțeleagă ce se întâmplă.

În cele din urmă, sa dovedit că rezultatele OPERA au fost greșite. Din cauza cablurilor libere există o problemă de sincronizare, și a semnalelor cu un GPS-sateliți au fost inexacte. A fost neașteptat de întârziere în semnal. În consecință, măsurarea timpului a luat pentru neutrini să depășească o anumită distanță, a arătat în plus 73 de nanosecunde: se părea că neutrinii zboară mai repede decât lumina.

În ciuda luni de teste riguroase înainte de începerea experimentului și apoi re-verifica datele, oamenii de știință serios greșite. Ereditato a demisionat, în ciuda numeroaselor comentarii care astfel de erori se întâmplă întotdeauna din cauza complexității extreme a dispozitivului de acceleratoare de particule.

De ce este presupunerea - unul este doar o presupunere - ceva ce poate călători mai repede decât lumina, aceasta a cauzat o astfel de tam-tam? În ceea ce suntem convinși că nimic nu poate depăși această barieră?

Să analizăm mai întâi a doua dintre aceste întrebări. Viteza luminii în vid este de 299 792.458 kilometri pe secundă - pentru comoditate, acest număr este rotunjit la 300.000 de kilometri pe secundă. Este foarte rapid. Soarele este de 150 de milioane de kilometri de Pământ, lumina de la ea vine pe Pământ în doar opt minute și douăzeci de secunde.

Ar putea unele dintre creatiile noastre pentru a concura in cursa cu lumina? Una dintre cele mai rapide obiecte de om printre construit vreodată, sonda spațială „Noi Orizonturi“, whizzed Pluto și Charon rămas singur în iulie 2015. El a atins viteza la sol 16 km / c. Mult mai puțin de 300 000 km / s.

Cu toate acestea, am avut mici particule care se mișcă foarte repede. La începutul anilor 1960, William Bertozzi la experimentul MIT cu electroni accelerați la viteze mai mari.

Deoarece electronii au o sarcină negativă, ele pot dispersa - mai precis, resping - aplicând aceeași sarcină negativă la materialul. Mai multă energie este aplicată, electronii sunt accelerate mai repede.

S-ar crede că trebuie doar să crească energia aplicată pentru a accelera până la o viteză de 300 000 km / s. Dar se pare că electronii pur și simplu nu se poate mișca la fel de repede. Experimentele Bertozzi au arătat că utilizarea de mai multă energie nu duce direct la o creștere proporțională a vitezei electronilor.

În schimb, a fost necesar pentru a pune cantități uriașe de energie suplimentară pentru a schimba chiar ușor viteza de electroni. A fost aproape de viteza luminii se apropie și mai aproape, dar nu a fost niciodată atins.

Imaginați-vă o mică mișcare la shazhochkami ușii, fiecare dintre care depășește jumătate din distanța de la poziția curentă la ușă. Strict vorbind, nu se poate ajunge la ușă, pentru că după fiecare dintre pașii pe care va trebui să rămână distanța pe care trebuie să fie depășite. Despre această problemă Bertozzi întâlnită în timp ce se ocupă cu electronii lor.

Dar lumina este format din particule numite fotoni. De ce sunt aceste particule se pot deplasa cu viteza luminii și electroni - nu?

„Pe măsură ce obiectele se miște mai repede și mai repede, ele devin mai greu - mai greu de ele devin, IT este mai dificil să fie dispersat, astfel încât să nu va câștiga la viteza luminii“, spune Roger Rassoul, un fizician de la Universitatea din Melbourne, în Australia. „Fotonii nu au nici o masă. Dacă ar fi avut o multime de, el nu se putea mișca cu viteza luminii. "

Fotonii sunt speciale. Ei nu au doar nici o masă, ceea ce le conferă deplină libertate de mișcare în vidul din spațiu, ele, de asemenea, nu trebuie să fie accelerate. energiei naturale pe care le posedă se mișcă în valuri, așa cum au fost, prin urmare, în momentul creării lor, ei au deja viteza maximă. În unele moduri mai ușor să se gândească la lumină ca energie, mai degrabă decât ca un flux de particule, cu toate că, în adevăr, lumina și este în același timp.

Cu toate acestea, lumina călătorește mult mai lent decât ne-am putea aștepta. In timp ce tehnologia Internet cum ar fi vorba despre comunicații care operează „la viteza luminii“, în fibra optică, lumina se deplasează cu 40% mai lent în geamul fibrei decât într-un vid.

In realitate, fotonii se deplaseaza cu viteza de 300 000 km / s, dar se confruntă cu o anumită interferență, interferența de la alte fotoni care sunt emise de atomii de sticlă, atunci când principalul val de lumină trece. Am înțeles că nu poate fi ușor, dar cel puțin am încercat.

În mod similar, în cadrul experimentelor speciale cu fotoni individuali, a fost posibil să le încetinească destul de impresionant. Dar pentru majoritatea cazurilor, acesta va fi un număr destul de mare de 300 000. Noi nu am văzut și nu a creat nimic care ar putea mișca la fel de repede sau chiar mai repede. Există momente speciale, dar înainte de a le atinge, să atingă pe un alt întrebării noastre. De ce este atât de important ca viteza luminii, în general, efectuate în mod riguros?

Răspunsul se află cu un om pe nume Albert Einstein, așa cum se întâmplă adesea în fizică. Teoria specială a relativității, ea explorează numeroase consecințe ale limitei de viteză universală. Unul dintre cele mai importante elemente ale teoriei este ideea că viteza luminii este constantă. Indiferent de locul unde ești și cât de repede se deplasează, lumina se deplasează întotdeauna la aceeași viteză.

Dar acest lucru implică câteva probleme conceptuale.

Imaginați-vă o lumină care cade din lanterna la oglinda pe tavanul unei nave spațiale staționare. Lumina vine, este reflectată de oglinda si cade pe podeaua navei spațiale. De exemplu, depășește distanța de 10 metri.

Acum, imaginați-vă că nava începe să se miște cu o viteză extraordinară de mii de kilometri pe secundă. Când porniți o lanternă, lumina se comportă ca și mai înainte: iscă, hit-uri oglindă și este reflectată în podea. Dar pentru a face acest lucru, lumina va trebui să depășească distanța diagonală, mai degrabă decât pe verticală. În cele din urmă, oglinda este acum se deplasează rapid, împreună cu nave spațiale.

Prin urmare, acesta este în creștere distanța care depășește lumina. De exemplu, la 5 metri. Se pare 15 metri în total, nu 10.

În ciuda acestui fapt, deși distanța a crescut, teoria lui Einstein susțin că lumina va continua să se miște în aceeași viteză. Deoarece viteza - este distanța împărțită la timp, ori viteza rămâne aceeași, iar distanța a crescut, de asemenea, timpul trebuie să crească. Da, timpul trebuie să se întindă. Și, deși sună ciudat, dar a fost confirmată experimental.

Acest fenomen se numește dilatarea timpului. Timpul se mișcă mai lent pentru persoanele care se deplasează în vehicul în mișcare rapidă, în ceea ce privește cei care sunt imobili.

De exemplu, timpul este 0.007 secunde mai lent pentru astronauții de pe Stația Spațială Internațională, care se deplasează cu o viteză de 7.66 km / s față de Pământ, în comparație cu oamenii de pe planeta. O altă situație interesantă ca particulele menționate mai sus de electroni care se pot deplasa aproape de viteza luminii. În cazul acestor particule, gradul de decelerare ar fi enorme.

Steven Kolthammer, un fizician experimental la Universitatea Oxford din Marea Britanie, drept exemplu cu particule numite muonilor.

Cele muonilor sunt instabile: se dizolvă rapid în particule mai mici. Atât de repede că majoritatea muonilor părăsesc soarele, trebuie să se dezintegreze la atingerea Pământului. Dar, în realitate, muonilor ajunge la Pământ de la soare pe o scară colosală. Fizicienii au fost mult timp încercând să înțeleagă de ce.

„Răspunsul la această enigmă este că muonilor generată cu o astfel de energie, care se deplasează cu o viteză aproape de lumină, - spune Kolthammer. - Simțul lor de timp, ca să spunem așa, ceasurile lor interne rula lent ".

Muonilor „supraviețui“ mai mult decât era de așteptat, în ceea ce privește noi, datorită acestui fapt, curbura naturală a timpului. Atunci când obiectele se mișcă rapid în raport cu alte obiecte, lungimea lor este de asemenea redus psihiatru. Aceste efecte, dilatarea timpului și de reducere a lungimii, sunt exemple de modul în spațiu-timp, în funcție de mișcarea lucrurilor - mine, tu, sau nave spațiale - cu masa.

Ceea ce este important, așa cum a spus Einstein, lumina nu este afectat, deoarece nu are nici o greutate. Acesta este motivul pentru care aceste principii merg mână în mână. Dacă lucrurile ar putea mișca mai repede decât lumina, se vor supune legilor fundamentale care descriu funcționarea universului. Acestea sunt principiile cheie. Acum putem vorbi despre câteva excepții și derogări.

Pe de o parte, cu toate că nu am văzut nimic care sa mutat mai repede decât lumina, aceasta nu înseamnă că limita de viteză nu ar trebui să fie, teoretic, rupe în condiții foarte specifice. De exemplu, ia în considerare expansiunea universului în sine. Galaxy din univers sunt îndepărtate unul de altul la o viteză ce depășește considerabil lumina.

O altă situație interesantă se referă la particule care au aceleași proprietăți, în același timp, indiferent de cât de departe unul de altul. Această așa-numita „entanglement cuantic.“ Photon se va roti în sus și în jos alege, la întâmplare din cele două stări posibile, dar alegerea direcției de rotație se reflectă exact pe celălalt foton oriunde altundeva, în cazul în care sunt confuzi.

Doi oameni de știință, fiecare dintre care examineaza propriul foton va avea același rezultat, în același timp, mai repede decât s-ar putea permite viteza luminii.

Cu toate acestea, în ambele aceste exemple, este important de menționat faptul că nici o informație nu se mișcă mai repede decât viteza luminii între cele două obiecte. Putem calcula expansiunea universului, dar nu putem vedea obiecte mai repede decât lumina în ea: au dispărut din vedere.

În ceea ce privește cei doi oameni de știință cu fotoni lor, chiar dacă acestea ar putea obține un rezultat, în același timp, acestea ar putea să nu dau să se cunoască reciproc mai repede decât lumina călătorește între ele.

„Acest lucru nu ne pune probleme, deoarece, dacă sunt în măsură să trimită semnale mai repede decât lumina, veți obține un paradox bizar, potrivit căruia informații într-un fel poate merge înapoi în timp“, spune Kolthammer.

Există un alt mod posibil de a face călătorie mai repede decât lumina este posibil punct de vedere tehnic: clivajelor în spațiu-timp, ceea ce va permite călătorului să evite regulile obișnuite de călătorie.

Gerald Cleaver de la Universitatea Baylor din Texas, spune că o zi vom fi capabili de a construi o nava spatiala care călătoresc mai repede decât lumina. Care circulă printr-o gaură de vierme. Wormhole - o buclă în spațiu-timp, se potrivește perfect în teoria Eynsheyna. Acestea ar putea permite un salt astronaut de la un capăt al universului la altul printr-o anomalie în spațiu-timp, o anumită formă de comenzi rapide cosmice.

Un obiect călătorind printr-o gaură de vierme, nu va depăși viteza luminii, dar poate ajunge teoretic la destinație mai repede decât lumina, care este pe drum „normal“. Dar, în general, găurile de vierme sunt inaccesibile pentru călătorii în spațiu. Ar putea exista un alt mod de a denatura în mod activ spațiu-timp pentru a trece mai rapid 300 000 km / C în raport cu altcineva?

Cleaver a explorat, de asemenea, ideea de „motor de Alcubierre“ propusă de fizicianul Miguel Alcubierre în 1994. El descrie situația în care spațiul-timp este comprimat înainte de nava spatiala, împingând-o înainte, și se extinde în spatele ei, și împingându-l înainte. „Dar apoi - Cleaver a spus - o problemă: cum să facă acest lucru și cât de mult va avea nevoie de energie.“

În 2008, el și absolvent de student Richard Obouzi calcula cât de mult va fi nevoie de energie.

„Am prezentat nava de 10 m x 10 m x 10 m - 1000 de metri cubi - și a calculat că energia necesară pentru pornirea procesului, ar fi echivalent cu masa întregului Jupiter“.

După aceea, energia trebuie să fie în mod constant „adaugă“ că procesul nu a fost finalizat. Nimeni nu știe dacă va fi vreodată posibil, sau cum va arăta tehnologia necesară. „Nu vreau să fie secole mai târziu citate, deși am prezis ceva care nu va fi niciodată - Cleaver spune -., Dar până acum nu văd nici o soluție“

Deci, care călătoresc mai repede decât viteza luminii sunt fantastice în acest moment. Până în prezent, singura modalitate de a vizita exoplaneta cu viața - în hibernare profundă. Și totuși, nu toate așa de rău. În cele mai multe cazuri, este vorba despre lumina vizibilă. Dar, în realitate, lumina - este mult mai mult decât atât. Unde radio și microunde la lumina vizibilă, radiații ultraviolete, raze X și raze gamma emise de atomii din procesul de dezintegrare - toate aceste raze frumoase constau una și aceeași: foton.

Diferența de energie, și, prin urmare - în lungime de undă. Toate împreună, aceste raze alcătuiesc spectrul electromagnetic. Faptul că undele radio, de exemplu, se deplasează cu viteza luminii, incredibil de util pentru comunicații.

În studiul său Kolthammer creează o schemă care utilizează fotoni pentru a transmite semnale de la o parte a circuitului la altul, așa că merită dreptul de a comenta cu privire la utilitatea viteza incredibilă a luminii.

„Faptul că am construit infrastructura de Internet, de exemplu, și în fața lui, și un radio bazat pe lumina este legată de ușurința cu care putem transmite“, a spus el. Și el adaugă că lumina acționează ca o putere de comunicare a universului. Când electronii din telefonul mobil începe să tremure, fotonii sunt emise și ca rezultat faptul că electronii din alt telefon mobil, de asemenea, agitare. Astfel sa născut un apel telefonic. Tremors electroni pe Soarele emite fotoni - in cantitati mari - care, desigur, formează lumina, care dă viață pe Pământ de căldură și zumzet, lumina.

Lumina - este limbajul universal al universului. Viteza sa - 299 792.458 km / s - rămâne constantă. Între timp, spațiu și timp sunt maleabile. Poate că nu ar trebui să se gândească la modul în care să se miște mai repede decât lumina, și cât mai repede naviga prin acest spațiu și de data asta? Matur la rădăcină, ca să spunem așa?