Чому ніщо не може бути швидше за світло?

У вересні 2011 року фізик Антоніо Ередітато кинув світ в шок. Його заява могла перевернути наше розуміння Всесвіту. Якщо дані, зібрані 160 вченими проекту OPERA, були правильними, спостерігалося неймовірне. Частинки - в цьому випадку нейтрино - рухалися швидше за світло. Відповідно до теорії відносності Ейнштейна, це неможливо. І наслідки такого спостереження були б неймовірними. Можливо, довелося б переглянути самі основи фізики.

Хоча Ередітато говорив, що він і його команда були «вкрай впевнені» в своїх результатах, вони не говорили про те, що дані були абсолютно точними. Навпаки, вони попросили інших вчених допомогти їм розібратися в тому, що відбувається.

Зрештою, виявилося, що результати OPERA були помилковими. Через погано підключеного кабелю виникла проблема синхронізації, і сигнали з GPS-супутників були неточними. Була несподівана затримка в сигналі. Як наслідок, вимірювання часу, який буде потрібний нейтрино на подолання певної дистанції, показали зайві 73 наносекунди: здавалося, що нейтрино пролетіли швидше, ніж світло.

Незважаючи на місяці ретельної перевірки до початку експерименту і перевірку даних згодом, вчені серйозно помилилися. Ередітато пішов у відставку, всупереч зауваженням багатьох про те, що подібні помилки завжди відбувалися через надзвичайну складність пристрою прискорювачів частинок.

Чому припущення - одне тільки припущення - що щось може рухатися швидше за світло, викликало такий шум? Наскільки ми впевнені, що ніщо не може подолати цей бар`єр?

Давайте спочатку розберемо другий з цих питань. Швидкість світла у вакуумі становить 299 792,458 кілометра в секунду - для зручності, це число округлюють до 300 000 кілометрів на секунду. Це дуже швидко. Сонце знаходиться в 150 мільйонах кілометрів від Землі, і світло від нього доходить до Землі всього за вісім хвилин і двадцять секунд.

Чи може будь-яке з наших творінь конкурувати в гонці зі світлом? Один з найшвидших штучних об`єктів серед коли-небудь побудованих, космічний зонд «Нові горизонти», просвистів повз Плутона і Харона в липні 2015 року. Він досяг швидкості відносно Землі в 16 км / c. Набагато менше 300 000 км / с.

Проте у нас були крихітні частинки, які рухалися дуже швидко. На початку 1960-х років Вільям Бертоцці в Массачусетському технологічному інституті експериментував з прискоренням електронів до ще більш високих швидкостей.

Оскільки електрони мають негативний заряд, їх можна розганяти - точніше, відштовхувати - застосовуючи той же негативний заряд до матеріалу. Чим більше енергії прикладається, тим швидше розганяються електрони.

Можна було б подумати, що потрібно просто збільшувати прикладену енергію, щоб розігнатися до швидкості в 300 000 км / с. Але виявляється, що електрони просто не можуть рухатися так швидко. Експерименти Бертоцці показали, що використання більшої енергії не призводить до прямо пропорційного збільшення швидкості електронів.

Замість цього потрібно було докладати величезних кількості додаткової енергії, щоб хоч трохи змінити швидкість руху електронів. Вона наближалася до швидкості світла все ближче і ближче, але ніколи її не досягла.

Уявіть собі рух до дверей невеликими кроками, кожен з яких долає половину відстані від вашої поточної позиції до дверей. Строго кажучи, ви ніколи не дійдете до дверей, оскільки після кожного вашого кроку у вас буде залишатися дистанція, яку потрібно подолати. Приблизно з такою проблемою Бертоцці зіткнувся, розбираючись зі своїми електронами.

Але світло складається з частинок під назвою фотони. Чому ці частинки можуть рухатися зі швидкістю світла, а електрони - ні?

«У міру того як об`єкти рухаються все швидше і швидше, вони стають все важче - чим важче вони стають, тим важче їм розігнатися, тому ви ніколи на наберете швидкість світла», говорить Роджер Рассул, фізик з Університету Мельбурна в Австралії. «У фотона немає маси. Якби у нього була маса, він не міг би рухатися зі швидкістю світла ».

Фотони особливі. У них не тільки відсутня маса, що забезпечує їм повну свободу переміщень в космічному вакуумі, їм ще й розганяти не потрібно. Природна енергія, якою вони володіють, переміщається хвилями, як і вони, тому в момент їх створення вони вже володіють максимальною швидкістю. У певному сенсі простіше думати про світло як про енергії, а не як про потік частинок, хоча, по правді кажучи, світло є і тим і іншим.

Проте світло рухається набагато повільніше, ніж ми могли б очікувати. Хоча інтернет-техніки люблять говорити про комунікації, які працюють «на швидкості світла» в оптоволокне, світло рухається на 40% повільніше в склі цього оптоволокна, ніж у вакуумі.

У реальності, фотони рухаються на швидкості 300 000 км / с, але стикаються з певною інтерференцією, перешкодами, викликаними іншими фотонами, які випускаються атомами скла, коли проходить головна світлова хвиля. Зрозуміти це може бути нелегко, але ми хоча б спробували.

Точно так же, в рамках спеціальних експериментів з окремими фотонами, вдавалося уповільнити їх вельми переконливо. Але для більшості випадків буде справедливо число в 300 000. Ми не бачили і не створювали нічого, що могло б рухатися так само швидко, або ще швидше. Є особливі моменти, але перш ніж ми їх торкнемося, давайте торкнемося іншої наше запитання. Чому так важливо, щоб правило швидкості світла виконувалося суворо?

Відповідь пов`язаний з людиною на ім`я Альберт Ейнштейн, як часто буває у фізиці. Його спеціальна теорія відносності досліджує безліч наслідків його універсальних меж швидкості. Одним з найважливіших елементів теорії є ідея того, що швидкість світла постійна. Незалежно від того, де ви і як швидко рухаєтеся, світло завжди рухається з однаковою швидкістю.

Але з цього випливає кілька концептуальних проблем.

Уявіть собі світ, який падає від ліхтарика на дзеркало на стелі стаціонарного космічного апарату. Світло йде вгору, відбивається від дзеркала і падає на підлогу космічного апарату. Скажімо, він долає дистанцію в 10 метрів.

Тепер уявімо, що цей космічний апарат починає рух з колосальною швидкістю у багато тисяч кілометрів в секунду. Коли ви включаєте ліхтарик, світло поводиться як раніше: світить вгору, потрапляє в дзеркало і відбивається в підлогу. Але щоб це зробити, світла доведеться подолати діагональне відстань, а не вертикальне. Зрештою, дзеркало тепер швидко рухається разом з космічним апаратом.

Відповідно, збільшується дистанція, яку долає світло. Скажімо, на 5 метрів. Виходить 15 метрів в загальному, а не 10.

І незважаючи на це, хоча дистанція збільшилася, теорії Ейнштейна стверджують, що світло, як і раніше буде рухатися з тією ж швидкістю. Оскільки швидкість - це відстань, поділена на час, раз швидкість залишилася колишньою, а відстань збільшилася, час теж має збільшитися. Так, саме час має розтягнутися. І хоча це звучить дивно, але це було підтверджено експериментально.

Цей феномен називається уповільненням часу. Час рухається повільніше для людей, які пересуваються в швидко рухомому транспорті, щодо тих, хто нерухомий.

Наприклад, час іде на 0,007 секунди повільніше для астронавтів на Міжнародній космічній станції, яка рухається зі швидкістю 7,66 км / с відносно Землі, якщо порівнювати з людьми на планеті. Ще цікавіша ситуація з частинками на зразок вищезгаданих електронів, які можуть рухатися близько до швидкості світла. У випадку з цими частками, ступінь уповільнення буде величезною.

Стівен Кольтхаммер, фізик-експериментатор з Оксфордського університету у Великобританії, вказує на приклад з частинками під назвою мюони.

Мюони нестабільні: вони швидко розпадаються на більш прості частинки. Так швидко, що більшість мюонів, що залишають Сонце, повинні розпадатися до моменту досягнення Землі. Але в реальності мюони прибувають на Землю з Сонця в колосальних обсягах. Фізики довгий час намагалися зрозуміти чому.

«Відповіддю на цю загадку є те, що мюони генеруються з такою енергією, що рухаються зі швидкістю близькою до світлової, - каже Кольтхаммер. - Їх відчуття часу, так би мовити, їх внутрішній годинник йдуть повільно ».

Мюони «залишаються в живих» довше, ніж очікувалося, щодо нас, завдяки справжньому, природному викривлення часу. Коли об`єкти рухаються швидко щодо інших об`єктів, їх довжина також зменшується, стискається. Ці наслідки, уповільнення часу і зменшення довжини, є приклади того, як змінюється простір-час в залежності від руху речей - мене, тебе або космічного апарату - володіють масою.

Що важливо, як говорив Ейнштейн, на світло це не впливає, оскільки у нього немає маси. Ось чому ці принципи йдуть рука об руку. Якби предмети могли рухатися швидше за світло, вони б підпорядковувалися фундаментальним законам, які описують роботу Всесвіту. Це ключові принципи. Тепер ми можемо поговорити про декілька винятки і відступи.

З одного боку, хоча ми не бачили нічого, що рухалося б швидше за світло, це не означає, що ця межа швидкості не можна теоретично побити в досить специфічних умовах. Наприклад, візьмемо розширення самого Всесвіту. Галактики у Всесвіті віддаляються один від одного на швидкості, що значно перевищує світлову.

Інша цікава ситуація стосується частинок, які розділяють одні й ті ж властивості в один і той же час, незалежно від того, як далеко знаходяться один від одного. Це так звана «квантова заплутаність». Фотон буде обертатися вгору і вниз, випадково вибираючи з двох можливих станів, але вибір напрямку обертання буде точно відбиватися на іншому фотоні де-небудь ще, якщо вони заплутані.

Два вчених, кожен з яких вивчає свій власний фотон, отримають один і той же результат одночасно, швидше, ніж могла б дозволити швидкість світла.

Однак в обох цих прикладах важливо відзначити, що ніяка інформація не рухається швидше за швидкість світла між двома об`єктами. Ми можемо обчислити розширення Всесвіту, але не можемо спостерігати об`єкти швидше за світло в ній: вони зникли з поля зору.

Що стосується двох вчених з їх фотонами, хоча вони могли б отримати один результат одночасно, вони не могли б дати про це знати один одному швидше, ніж переміщується світло між ними.

«Це не створює нам ніяких проблем, оскільки якщо ви здатні посилати сигнали швидше за світло, ви отримуєте химерні парадокси, відповідно до яких інформація може якимось чином повернутися назад в часі», говорить Кольтхаммер.

Є й інший можливий спосіб зробити подорожі швидше за світло технічно можливими: розломи в просторі-часі, які дозволять мандрівникові уникнути правил звичайного подорожі.

Джеральд Клівер з Університету Бейлор в Техасі вважає, що одного разу ми зможемо побудувати космічний апарат, який мандрує швидше за світло. Який рухається через червоточину. Червоточини - це петлі в просторі-часі, прекрасно вписуються в теорії Ейншейна. Вони могли б дозволити астронавта перескочити з одного кінця Всесвіту в інший за допомогою аномалії в просторі-часі, якоїсь форми космічного короткого шляху.

Об`єкт, який мандрує через червоточину, не перевищуватиме швидкість світла, але теоретично може досягти пункту призначення швидше, ніж світло, який йде по «звичайному» шляху. Але червоточини можуть бути взагалі недоступними для космічних подорожей. Чи може бути інший спосіб активно спотворити простір-час, щоб рухатися швидше 300 000 км / c щодо кого-небудь ще?

Клівер також досліджував ідею «двигуна Алькубьерре», запропоновану фізиком-теоретиком Мігелем Алькубьерре в 1994 році. Він описує ситуацію, в якій простір-час стискається перед космічним апаратом, штовхаючи його вперед, і розширюється позаду нього, також штовхаючи його вперед. «Але потім, - каже Клівер, - виникли проблеми: як це зробити і скільки знадобиться енергії».

У 2008 році він і його аспірант Річард Обоузі розрахували, скільки знадобиться енергії.

«Ми представили корабель 10 м х 10 м х 10 м - 1000 кубометрів - і підрахували, що кількість енергії, необхідне для початку процесу, буде еквівалентно масі цілого Юпітера».

Після цього, енергія повинна постійно «підливають», щоб процес не завершився. Ніхто не знає, чи стане це коли-небудь можливо, або на що будуть схожі необхідні технології. «Я не хочу, щоб мене потім століттями цитували, ніби я передбачав щось, чого ніколи не буде, - каже Клівер, - але поки я не бачу рішень».

Отже, подорожі швидше за швидкість світла залишаються фантастикою на поточний момент. Поки єдиний спосіб відвідати екзопланету за життя - поринути в глибокий анабіоз. І все ж не все так погано. У більшості випадків ми говорили про видиме світло. Але в реальності світ - це набагато більше. Від радіохвиль і мікрохвиль до видимого світла, ультрафіолетового випромінювання, рентгенівських променів і гамма-променів, що випускаються атомами в процесі розпаду - всі ці прекрасні промені складаються з одного і того ж: фотонів.

Різниця в енергії, а значить - в довжині хвилі. Всі разом, ці промені становлять електромагнітний спектр. Те, що радіохвилі, наприклад, рухаються зі швидкістю світла, неймовірно корисно для комунікацій.

У своєму дослідженні Кольтхаммер створює схему, яка використовує фотони для передачі сигналів з однієї частини схеми в іншу, так що цілком заслуговує права прокоментувати корисність неймовірній швидкості світла.

«Сам факт того, що ми побудували інфраструктуру Інтернету, наприклад, а до нього і радіо, засновану на світлі, має відношення до легкості, з якою ми можемо його передавати», відзначає він. І додає, що світло виступає як комунікаційна сила Всесвіту. Коли електрони в мобільному телефоні починають тремтіти, фотони вилітають і призводять до того, що електрони в іншому мобільному телефоні теж тремтять. Так народжується телефонний дзвінок. Тремтіння електронів на Сонце також випускає фотони - у величезних кількостях - які, звичайно, утворюють світло, що дає життя на Землі тепло і, кхм, світло.

Світло - це універсальна мова Всесвіту. Його швидкість - 299 792,458 км / с - залишається незмінною. Тим часом, простір і час податливі. Можливо, нам варто замислюватися не про те, як рухатися швидше за світло, а як швидше переміщатися по цьому простору і цього часу? Зріти в корінь, так би мовити?