Global Lithuanian Net:    san-taka station:

Greičiau už šviesą

Šviesos greitis vakuume, žymimas kaip c, yra 299.792.458 m/sek. Ne vakuume šviesa keliauja c/n greičiu, kur n yra lūžimo koeficientas (todėl, kai kuriose terpėse kitos dalelės gali judėti greičiau nei c/n, sukeldamas Čerenkovo spinduliavimą.
Iškart reikia pabrėžti, kad judėjimas didesniu už šviesą greičiu ir informacijos perdavimas didesniu už šviesą greičiu nėra tas pat.

Specialiojoje reliatyvumo teorijoje (SRT) tam, kad dalelė (kuri turi masę) pasiektų šviesos greitį, reikia begalinio energijos kiekio, nors pati SRT neatmeta galimybės, kad dalelės visą laiką galėtų skrieti greičiau už šviesą (tachyons). Iš kitos pusės, kai kurie fizikai kelia hipotezes, kad esant tam tikriems erdvėlaikio iškraipymams, materija galėtų į kitas vietas persikelti greičiau už šviesą. Tokios galimybės neatmeta ir bendroji reliatyvumo teorija (BRT) - siūlomos Alcubierre pavara ir sliekangių hipotezės, nors jų tikėtinumas yra abejotinas. Netradicinėje fizikoje ir mokslinėje fantastikoje iškelta dar daugiau įvairių variantų.

Einšteino reliatyvumo teorijoje laikas ir greitis susieti Puankarė transformacijomis. Tai veda prie tokių išvadų:

  • objektas, judantis šviesos greičiu, turi begalinį momentą;
  • objekto pagreitinimui iki šviesos greičio reikia arba begalinio laiko esant ribotam pagreičiui, arba begalinio pagreičio per ribotą laiko tarpą;
  • bet kuriuo atveju tam reikia begalinio energijos kiekio;
  • keliavimas didesniu už šviesą greičiu reikštų priešingos krypties laiką (o tai pažeidžia priežasties-pasekmės tvarką).

Faster than Light Taigi, Einšteino reliatyvumo teorijoje negali būti didesnio už šviesą greičio. Tai kyla iš fizikinės prielaidos, kad visi fizikiniai reiškiniai turi tenkinti apribotos Puankarė grupės simetrijos reikalavimus. Ta prielaida išlaikė laiko išbandymus ir jos patikimumas patikrintas kruopščiais eksperimentais.

Nors plačiai sutinkama, kad negalima skrieti greičiau už šviesą, egzistuoja bandymai įrodyti tokią galimybę.

Atmetant specialiąją reliatyvumo teoriją

Šis sprendimas labai populiarus mokslinėje fantastikoje. Taip pat joje labai populiaru tarti, kad egzistuoja kitos tikrovės (dažnai vadinamos hiper-erdve, sub-erdve ar gretima erdve (slipspace, taip pat kai kurie aspektai iš lygiagrečių visatų)), pasiekiamos iš mūsų pasaulio ir kuriose reliatyvumo dėsniai negalioja arba yra iškreipti; tad galimas labai greitas tolimų atstumų įveikimas. Visa tai nėra moksliškai pagrindžiama.

Atmetant priežastingumą

Kitas variantas – pripažinti specialiąją reliatyvumo teoriją, tačiau laikyti, kad bendrosios reliatyvumo teorijos leistini efektai (pvz., sliekangės) gali leisti keliauti tarp dviejų taškų nekertant juos skiriančios erdvės. Nors tai apeina begalinio pagreitėjimo problemą, tačiau vis tik nepanaikina uždarų laiko kreivių ir pažeidžia priežastingumo principus. Priežastingumas nėra privalomas reliatyvumo teorijoms, tačiau visuotinai priimta kaip būtina Visatos savybė, kurios negalima atmesti. Vis tik dauguma fizikų tikisi (ar bent viliasi), kad kvantinė gravitacija pašalins šią kliūtį. Alternatyva yra manyti, kad, jei kelionės laike yra galimos, jos nesukelia paradoksų; tai Novikovo savaiminio darnumo principas.

Svarbu pastebėti, kad bendrojoje reliatyvumo teorijoje objektai gali judėti greičiau už šviesą dėl Visatos plėtimosi. Taip yra dėl atstumų tarp objektų padidėjimo – ir bendroji reliatyvumo teorija susiveda į specialiąją "lokalia" prasme: kad du objektai, prasilenkdami nedidelėje erdvėlaikio srityje, negali turėti didesnio reliatyvaus greičio už c ir judės lėčiau už šviesos spindulį, kertantį tą sritį.

Atmetant (absoliutų) reliatyvumą

Dėl stipraus empirinio palaikymo, labai sunku joje daryti pakeitimus. Žinomiausias pavyzdys yra dviguba specialioji reliatyvumo teorija, kuri atmeta, kad Planko konstanta yra ta pati visuose freimuose ir yra susijusi su Giovanni Amelino-Camelia ir Jao Magueijo darbais. Viena šios teorijos pasekmių yra kintamas šviesos greitis, nes fotono greitis gali kisti priklausomai nuo energijos ir kai kurios nulinės masės dalelės gali skrieti greičiau nei c. Kai kurie įrodymai šiuo metu jai prieštarauja, ir, net jei ji galima, neaišku, kad galima keistis informacija šiuo būdu.

Kazimiro vakuumas ir kvantinis tuneliavimas

Šviesos greitis matuotas vakuume. Tačiau su vakuumu siejama tam tikra energija, kurią tam tikrais būdais galima pakeisti. Jei vakuumo energijos lygis sumažėja, tai šviesa jame turėtų skrieti greičiau nei c. Tai vadinamasis Scharnhorst'o efektas. Tokį vakuumą galima sukurti dvi absoliučiai glotnias metalines plokštes suartinus beveik atomo dydžio atstumu (vadinamasis Kazimiro (Casimir) vakuumas). Skaičiavimai rodo, kad šviesos greitis jame tik nežymiai padidėtų (maždaug 10-36).

Tačiau tai eksperimentiškai nepatvirtinta. Tačiau teoriniai skaičiavimai rodo, kad Scharnhorst'o efekto negalima panaudoti informacijos pasiuntimui atgal naudojant tik vieną plokščių porą. Vienok, naudojant daugybę judančių viena kitos atžvilgiu plokščių porų negalima teigti, kad nebus jokių priežastingumo pažeidimų ir, pasiremiant Hawking'o chronologijos apsaugos prielaida, tvirtinančia, kad grįžtamieji dalelių ciklai gali sukurti nevaldomus singuliarumus ties bet kurios potencialiai galimos laiko mašinos pakraščiais, o tai gali reikšti poreikį kvantinės gravitacijos teorijos sukūrimui (tikintis, kad tokia teorija iš principo neleis jokios laiko mašinos sukūrimo). Dar kiti kritikai teigia, kad Scharnhorst'o analizėje naudotos tam tikros aproksimacijos, kurios gali pasirodyti netiksliomis, ir tas efektas gali visai nepadidinti šviesos greičio.

Faster than Light Fizikai Gunter Nimtz'as ir Alfons Stahlhofen'as tvirtina, kad eksperimentiškai perdavė fotonus didesniu už šviesą greičiu. Jie sakosi atlikę bandymą, kai mikrobanginiai fotonai (santykinai mažos energijos šviesos paketai) persikeldavo akimirksniu tarp prizmių porų, esančių 3 pėdų atstumu – panaudojant reiškinį, vadinamą kvantiniu tuneliavimu. Tačiau kiti fizikai sako, kad tas reiškinys neleidžia greičiau už šviesą perduoti informacijos. A. Steinberg'as pateikė analogiją su traukiniu, vykstančiu iš A į B. Pakeliui kiekvienoje tarpinėje stotyje atkabinami keli vagonai. Tada traukinio centras juda greičiau nei bet kuris atskiras vagonas.

Tachyonai

Nors specialiojoje reliatyvumo teorijoje ir negalima pagreitinti objekto iki šviesos greičio, tačiau ji nedraudžia, kad egzistuotų objektai, visuomet judantys greičiau už šviesą. Tos hipotetinės elementariosios dalelės vadinamos tachyonais. Jų egzistavimas neįrodytas, tačiau net jei jos ir egzistuotų, jų nebūtų galima panaudoti perduoti informacijai didesniu už šviesą greičiu.

Bendroji reliatyvumo teorija

Bendroji reliatyvumo teorija buvo sukurta, kad apimtų tokias koncepcijas kaip gravitacija. Ji laikosi principo, kad joks objektas negali pagreitėti iki šviesos greičio bet kurio stebėtojo erdvėje (freime). Tačiau ji leidžia erdvės išsikreivinimus, leidžiančius judėti greičiau už šviesą nepaprastai nutolusio stebėtojo požiūriu. Vienas tokių išsikreivinimų yra Alcubierre, kurį galima įsivaizduoti kaip susidarančius erdvėlaikio ratilus, nusinešančius objektą. Kita galimybė yra sliekangė, kuri tarsi trumpesniu keliu sujungia du tolimus taškus. Abiem atvejais turi būti sukurtas didelis lokalaus erdvėlaikio regiono kreivumas ir čia turi veikti nepaprasto stiprumo gravitacija. Kad kompensuotų nestabilią struktūrą ir apsaugotų kreivumus nuo jų pačių "svorio", tenka išsigalvoti kažkokią hipotetinę materiją ar neigiamą energiją.

Bendroji reliatyvumo teorija numato, kad judėjimas greičiau už šviesą gali būti panaudojamas kelionėms laike., o tai sukelia priežastingumo problemas. Dauguma fizikų mano, kad minėti reiškiniai negalima ir būsimos gravitacijos teorijos neleis jiems atsirasti. Stygų teorijoje E. Gimon'as ir P. Horava įrodinėja, kad supersimetrinėje 5-ių matavimų Fiodelio visatoje kvantinės bendrosios reliatyvumo teorijos korekcijos elektyviai pašalina erdvėlaikio regionus su priežastingumą pažeidžiančiomis uždaromis laiko kreivėmis.

Hartmano efektas

Hartmano efektas yra tunelio efektas, pirmąkart aprašytas Thomas Hartman'o 1962 m.

2000 m. Prinstono mokslininkai silpną lazerio impulsą perdavė dujinio cezio terpėje ir nustatė, kad šviesa praėjo 300 kartų didesniu greičiu nei šviesos greitis.

Vis tik Lijun Wang („Nature“, nr.406) su kolegomis NEC tyrimų centro šį reiškinį aiškino remdamasis klasikine bangų skvarbos teorija. Šviesos pulsas gali sklisti nevienu greičiu, nes jį sudaro skirtingų ilgių bangos. Atskiros bangos keliauja savosios fazės greičiu. Vakuume visi greičiai vienodi. Dispersinėje terpėje jų greičiai skiriasi, nes refleksijos laipsnis yra funkcija nuo bangos ilgio. Tyrinėtojai sudarė sąlygas, kad sužadinti cezio atomai sukeldavo antrinius šviesos „ratilus“ taip, kad sustiprindavo pačią šviesą. Taip sustiprinta bangų grupė keliavo 310c greičiu. Bangos iškraipymas buvo toks didelis, kad bangų grupės greitis tapo neigiamas, t.y., atrodė, kad šviesos pulsas sklinda atgal. Vis tik fizikai nesutaria, kokiu greičiu tokių bandymų sąlygomis pernešama informacija.

Tačiau labiau sudomino kitas šio bandymo aspektas. Pagal reliatyvumo teoriją, greitis lėtina laiką. Ir pagal ją, jei dalelės greitis viršytų šviesos greitį, laiko tėkmė būtų neigiama, t.y. dalelė judėtų į praeitį. Kuo ne laiko mašina?

Imkime dvi prizmes. Kai prizmės susilietusios, šviesa skrieja tiesiai, tačiau jei yra plyšys, šviesa lūžta. Yra tikimybė, kad fotonas pralėks tiesiai pro plyšį nelūžinėdamas. Esant dideliems tarpams gali atrodyti, kad fotonai pralekia didesniu už c greičiu.

Vienok, Herbert Winful'o analizė bando parodyti, kad Hartmano efekto negalima panaudoti perduoti signalams greičiau už šviesą, nes laikas tunelyje "neturėtų būti siejamas su greičiu, nes nesklinda išnykstančios bangos". Tuo norima pasakyti, kad tunelį kertantys fotonai tėra virtualūs fotonai gyvuojantys tik sąveikoje ir negali pasklisti išorėje.

Kazimiro efektas

Kazimiro efektas arba Casimir-Polder jėga yra fizikinė jėga, kylanti tarp dviejų objektų dėl vakuumo energijos rezonanso jų tarpe. Ji kartais aprašoma panaudojant virtualių dalelių, sąveikaujančių tarp objektų, terminais, nes tai leidžia matematiškai paskaičiuoti efekto stiprumą. Kadangi jėga labai sparčiai slopsta didėjant atstumui, ji teišmatuojama tik tarp labai artimų objektų. Energija pasireiškia staiga; tarsi kiltų iš vakuumo.

EPR paradoksas

Tai mintinis Einšteino, Podolskio ir Roseno (EPR) eksperimentas, kuris pirmąkart eksperimentiškai išbandytas Alain Aspect'o 1981-82 m. Vienos kvantinės sistemos būsenos matavimas iššaukia tos poros kitos sistemos būsenos matavimą.Tai sukelia kvantinę teleportaciją.

1997 m. Nicolas Gisin'o atliktas eksperimentas parodė nelokalią vietinę koreliaciją tarp dalelių, atskirtų didesniu nei 10 km atstumu. Tačiau, kaip pastebėta anksčiau, nelokali koreliacija negali būti panaudota informacijos perdavimui didesniu už šviesą greičiu, todėl reliatyvistinis priežastingumas išlaikomas (žr. nekomunikacinę teoremą).

Marlan Scully eksperimentas yra EPR paradokso alternatyva, kuriame fotono interferencija (arba jos nebuvimas) pralėkus pro dvigubą plyšį priklauso nuo poros antrojo fotono stebėjimo sąlygų. Antrasis fotonas gali būti stebimas vėliau nei pirmasis, todėl gali pasirodyti, kad antrojo fotono stebėjimas nulemia, ar pirmojo fotono atveju pasireiškė interferencija.

Kintantis šviesos greitis Faster than Light

Tradicinėje fizikoje šviesos greitis vakuume laikomas nekintančiu dydžiu, tačiau yra teorijų, nelaikančių jo pastoviu.

Joao Magueijo teigia, kad šviesos greičio negalima išmatuoti, nes jis yra daugiamatis dydis. Matuojami dydžiai yra vienmačiai, nors dažnai tėra daugiamačių savybių santykiai. Juk kai matuojame kalno aukštį, iš tikro lyginame tą aukščio santykį su metro etalonu. Tradicinė SI matų sistema remiasi 7 pagrindinėmis savybėmis: atstumu, mase, laiku, elektros srove, termodinamine temperatūra, medžiagos kiekiu ir šviesumu. Jos apibrėžiamos kaip nepriklausomos ir negali būti išreikštos per kitas.

Joao Magueijo pasiūlė kitą matavimo vienetų sistemą tvirtindamas, kad kai kurios lygtys supaprastėja. Tarp naujų vienetų jis įtraukia subtiliosios struktūros konstantą (fine structure constant), kurią kai kurie laiko priklausančią nuo laiko. Jei šis dydis yra pastovus, tada šviesos greitis gali kisti.

Čerenkovo spinduliavimas – Pavelo Čerenkovo*) atrastas elektromagnetinio spinduliavimo reiškinys, kai turinčios krūvį dalelės (pvz., elektronas) pralekia per izoliatorių greičiu didesniu už šviesos greitį toje medžiagoje.

1934 m. P. Čerenkovas atrado, kad skystis, veikiamas radžio skleidžiamų gama spindulių, pradeda silpnai žydrai švytėti Wave travel: Cherenkov radiation dėl iš atomų gama spinduliavimo išmuštų elektronų. Vėliau paaiškėjo, kad tie elektronai judėjo greičiau už šviesą, kokia ji sklinda toje terpėje.

S. Vavilovo iniciatyva pradėti bandymai su skysčių liuminiscencija (todėl rusiškoje literatūroje reiškinys dažnai vadinamas Vavilovo-Čerenkovo) parodė būdingas spinduliavimo savybes, iš kurių Vavilovas nusprendė, kad švyti ne skystis, o į skleidžia skystyje judantys elektronai. Teorinį pagrindimą 1937 m. pateikė I. Tamas ir I. Frankas. 1958 m. jiems ir Čerenkovui buvo skirta Nobelio fizikos premija.
Tai buvo tarsi optinis smūginės bangos (pvz., sukeliamos ore „pramušus“ garso barjerą) ekvivalentas. Įsivaizduoti galima pagal analogiją su Hiuigenso bangomis, sklindančiomis šviesos greičiu, kai kiekviena nauja banga sukuriama kitame bangos sklidimo taške. Tų bangų amplitudės ir sudaro Čerenkovo spinduliavimo frontą. Spinduliavimas sklinda kūgio forma aplink dalelės trajektoriją.

Čerenkovo spinduliavimas dažniausiai naudojamas aukštos energijos dalelėms aptikti. Pvz., baseino tipo branduoliniuose reaktoriuose (reaktoriai, patalpinti vandens baseinuose) Čerenkovo spinduliavimo intensyvumas yra susijęs su branduolių dalijimosi įvykių dažniu, kurių metu susidaro aukštos energijos elektronai. Iš to galima spręsti apie reakcijos intensyvumą. Tuo pačiu šis charakteringas spinduliavimas naudojamas likusiam panaudotų kuro strypų radioaktyvumui nustatyti. Aukštos energijos kosminiai spinduliai, patekę į Žemės atmosferą, gali sukurti elektrono- pozitrono poras, skriejančias milžinišku greičiu. Šių dalelių su krūvių Čerenkovo spinduliavimas naudojamas kosminių spindulių šaltiniui ir intensyvumui nustatyti. Panašus metodas naudojamas dideliuose neutrinų detektoriuose. Čerenkovo spinduliuotė gali būti panaudota didelės energijos astronominių objektų, spinduliuojančių gama spindulius, savybėms nustatyti (pvz., supernovų liekanoms).

*) Pavelas Čerenkovas (1904-1990) – rusų fizikas, akademikas, Nobelio premijos laureatas (1958) už Čerenkovo spinduliavimo atradimą ir jo mokslinį pagrindimą. Darbavosi optikos, branduolinės fizikos, aukštų energijų dalelių srityse.

Literatūra:

  1. P. F. Gonzalez-Diaz. Warp drive space-time// Physical Review, D 62, 2000
  2. J. R. Gott. Time Travel in Einstein Universe, 2002
  3. S. Liberati and al. Faster-than-c-signals, special relativity, and causality// Annals Phys. 298, 2002
  4. M. Anderson. Light seems to defy its own speed limit// New Scientist, 195, 2007
  5. G. Feinberg. Possibility of Faster-Than-Light Particles// Ph. Review, 159, 1967
  6. R.D. Blandford and al. Super-luminal expansion in extragalactic radio sources// Nature, 267, 1977
  7. G. Nimtz, A. A. Stahlhofen. Macroscopic violation of special relativity, 5 Aug 2007
  8. H. Winful. Tunneling time, the Hartman effect, and superluminality// Ph. Review, v.436, Dec 2006
  9. D.F. Falla, M.J. Floyd. Superluminal motion in astronomy// Eur. J. Phys., 23, 2002
  10. A.M. Steinberg and al. Measurement of the Single-Photon Tunneling Time// Ph. Review, Letter, 71, 1993

Papildomai skaitykite:
Erdvės ratilai
Greičiau už šviesą!
Alcubierre pavara
Antigravitacijos paieškos
Pasikėsinimas į multivisatas
Ateitis - elektrinės raketos
Bendroji reliatyvumo teorija
Laiko ir erdvės atskyrimas
Valdomas nuotolinis matymas
Hadronų koliderio kūrėjas
Atsakymai apie erdvę ir laiką
Naujos galimybės žvaigždėlaivio pavarai
Higso bosonas: labai prasta balerina
Kosmonautikos pergalės ir pralaimėjimai
Ar galimas ryšis su protingomis kitų planetų būtybėmis?
Savaime besiorganizuojantis kvantinis pasaulis
Didysis sprogimas ar Didysis atšokimas
Tamsioji materija ir energija
Išilginės bangos ir kelionės laike
Neapibrėžtumas, tikimybė ir prognozė
Tėkmė: kas atvedė prie LHC?
Antigravitacijos paieškų istorija
Keista Ciolkovskio filosofija
Jie degino eretikus, ar ne?
Nepaprasti Visatos skaičiai
DNR – kvantinis kompiuteris?
Laiko matavimo kronika
Papildomas matavimas
Lygiagrečios visatos
Holografinė visata
Antigravitacija
Kvantinis chaosas
Visatos modeliai
Triukšmai

NSO apsireiškimai ir neįprasti fenomenai Lietuvos danguje ir po juo

Maloniai pasitiksime žinias apie bet kokius Jūsų pastebėtus sunkiai paaiškinamus reiškinius. Juos prašome siųsti el.paštu: san-taka@lithuanian.net arba pateikti šiame puslapyje.

san-taka station

UFO sightings and other phenomenas in/under Lithuanian sky. Please inform us about everything you noticed and find unexplainable in the night sky or even during your night dreams, or in the other fields of life.

Review of our site in English

NSO.LT skiltis
Vartiklis