Lehetséges az FTL repülés? Vannak olyan részecskék, amelyek gyorsabbak a fénysebességnél? Ami gyorsabb a fénysebességnél.

2011 szeptemberében Antonio Ereditato fizikus sokkolta a világot. Kijelentése felforgathatja az univerzumról alkotott felfogásunkat. Ha az OPERA 160 tudósa által összegyűjtött adatok helytállóak voltak, akkor hihetetlent figyeltek meg. A részecskék – jelen esetben a neutrínók – gyorsabban mozogtak, mint a fény. Einstein relativitáselmélete szerint ez lehetetlen. És egy ilyen megfigyelésnek hihetetlen következményei lennének. Talán a fizika alapjait kellene felülvizsgálni.

Bár Ereditato azt mondta, hogy ő és csapata „rendkívül magabiztosak” az eredményeikben, azt nem mondták, hogy az adatok teljesen pontosak. Éppen ellenkezőleg, más tudósokat kértek fel, hogy segítsenek nekik kitalálni, mi történik.

Végül kiderült, hogy az OPERA eredmények rosszak voltak. A rosszul csatlakoztatott kábel szinkronizálási problémát okozott, és a GPS-műholdak jelei pontatlanok voltak. Váratlan késés volt a jelzésben. Ennek eredményeként a neutrínóknak egy bizonyos távolság megtételéhez szükséges idő mérése további 73 nanoszekundumot mutatott ki: úgy tűnt, hogy a neutrínók gyorsabban repültek el, mint a fény.

A kísérlet megkezdése előtt több hónapig tartó vizsgálat és az adatok későbbi újraellenőrzése ellenére a tudósok súlyosan tévedtek. Ereditato lemondott, ellentétben sokak megjegyzésével, miszerint ilyen hibák mindig a részecskegyorsítók berendezésének rendkívül bonyolultsága miatt fordultak elő.

Miért okozott ekkora zajt az a feltevés – csak az a feltételezés –, hogy valami a fénynél gyorsabban tud mozogni? Mennyire vagyunk biztosak abban, hogy ezt az akadályt semmi sem tudja legyőzni?

Nézzük először a második kérdést. A fény sebessége vákuumban 299 792,458 kilométer per másodperc – a kényelem kedvéért ezt a számot 300 000 kilométer per másodpercre kerekítették. Elég gyors. A Nap 150 millió kilométerre van a Földtől, és a róla érkező fény mindössze nyolc perc húsz másodperc alatt éri el a Földet.

Bármely alkotásunk felveheti a versenyt a fénnyel? A valaha épített egyik leggyorsabb ember alkotta objektum, a New Horizons űrszonda 2015 júliusában elsuhant a Plútó és a Charon mellett. A Földhöz képest 16 km/s sebességet ért el. Sokkal kevesebb, mint 300 000 km/s.

Voltak azonban apró részecskéink, amelyek nagyon gyorsan mozogtak. Az 1960-as évek elején William Bertozzi az MIT-n az elektronok még nagyobb sebességre történő gyorsításával kísérletezett.

Mivel az elektronok negatív töltésűek, felgyorsíthatók – pontosabban taszíthatók –, ha ugyanazt a negatív töltést adjuk az anyagra. Minél több energiát alkalmazunk, annál gyorsabban gyorsulnak az elektronok.

Az ember azt gondolná, hogy csak növelni kell az alkalmazott energiát ahhoz, hogy 300 000 km/s sebességre gyorsuljon. De kiderült, hogy az elektronok egyszerűen nem tudnak ilyen gyorsan mozogni. Bertozzi kísérletei kimutatták, hogy több energia felhasználása nem vezet az elektronok sebességének egyenes arányos növekedéséhez.

Ehelyett hatalmas mennyiségű többletenergiát kellett alkalmazni ahhoz, hogy az elektronok sebességét csak kis mértékben is megváltoztassák. Egyre közelebb került a fénysebességhez, de soha nem érte el.

Képzelje el, hogy kis lépésekben sétál az ajtó felé, amelyek mindegyike megteszi a jelenlegi helyzetétől az ajtóig tartó távolság felét. Szigorúan véve soha nem fogsz eljutni az ajtóig, mert minden egyes lépés után le kell küzdened a távolságot. Bertozzi nagyjából ugyanezzel a problémával szembesült, amikor elektronjaival foglalkozott.

A fény azonban fotonoknak nevezett részecskékből áll. Miért tudnak ezek a részecskék fénysebességgel mozogni, de az elektronok nem?

„Ahogy a tárgyak egyre gyorsabban mozognak, egyre nehezebbek lesznek – minél nehezebbek, annál nehezebben gyorsulnak, így soha nem éri el a fénysebességet” – mondja Roger Rassoul, az ausztrál Melbourne-i Egyetem fizikusa. . „A fotonnak nincs tömege. Ha lenne tömege, nem tudna fénysebességgel mozogni."

A fotonok különlegesek. Nem csak a tömeg hiányzik belőlük, ami teljes mozgásszabadságot biztosít számukra a tér vákuumában, de nem is kell gyorsítaniuk. A rendelkezésükre álló természetes energia éppúgy hullámokban mozog, mint ők, így keletkezésükkor már maximális sebességgel rendelkeznek. Bizonyos értelemben könnyebb a fényt energiának tekinteni, nem pedig részecskefolyamnak, bár valójában a fény mindkettő.

A fény azonban sokkal lassabban terjed, mint azt várnánk. Míg az internetes technikusok szeretnek olyan kommunikációról beszélni, amely "fénysebességgel" működik a szálban, a fény 40%-kal lassabban halad az üvegszálban, mint a vákuumban.

A valóságban a fotonok 300 000 km/s sebességgel haladnak, de bizonyos mértékű interferenciával találkoznak, olyan interferenciával, amelyet más fotonok okoznak, amelyeket az üvegatomok bocsátanak ki, amikor a fő fényhullám áthalad. Lehet, hogy ezt nem könnyű megérteni, de legalább megpróbáltuk.

Ugyanígy az egyes fotonokkal végzett speciális kísérletek keretében igen hatásosan le lehetett lassítani őket. De a legtöbb esetben a 300 000-es szám érvényes.Nem láttunk vagy alkottunk semmit, ami ilyen gyorsan, vagy még gyorsabban tudna haladni. Vannak speciális pontok, de mielőtt ezekre rátérnénk, érintsük meg a másik kérdésünket. Miért olyan fontos a fénysebesség szabályának szigorú betartása?

A válasz a személy névvel kapcsolatos, ahogy az a fizikában gyakran előfordul. Speciális relativitáselmélete az univerzális sebességkorlátozások sokféle vonatkozását tárja fel. Az elmélet egyik legfontosabb eleme az az elképzelés, hogy a fénysebesség állandó. Nem számít, hol van vagy milyen gyorsan mozog, a fény mindig azonos sebességgel mozog.

Ennek azonban több fogalmi problémája is van.

Képzelje el, hogy a fény egy zseblámpából egy álló űrhajó mennyezetén lévő tükörre esik. A fény felfelé megy, visszaverődik a tükörről, és az űrhajó padlójára esik. Tegyük fel, hogy 10 méteres távolságot tesz meg.

Most képzelje el, hogy ez az űrhajó hatalmas, sok ezer kilométeres másodpercenkénti sebességgel kezd mozogni. Amikor bekapcsolja a zseblámpát, a fény úgy viselkedik, mint korábban: felfelé világít, nekiütközik a tükörnek és visszaverődik a padlón. De ehhez a fénynek átlós távolságot kell megtennie, nem függőlegest. Végül is a tükör most gyorsan mozog az űrhajóval.

Ennek megfelelően a fény által megtett távolság növekszik. Mondjuk 5 méter. Összesen 15 méter derül ki, nem 10.

Ennek ellenére, bár a távolság nőtt, Einstein elméletei szerint a fény továbbra is ugyanolyan sebességgel fog mozogni. Mivel a sebesség a távolság osztva idővel, mivel a sebesség ugyanaz, és a távolság nőtt, az időnek is növekednie kell. Igen, magának az időnek nyúlnia kell. Bár furcsán hangzik, kísérletileg megerősítették.

Ezt a jelenséget idődilatációnak nevezik. Az idő lassabban telik a gyorsan mozgó járművekben mozgó embereknél, mint az állóknál.

Például a Nemzetközi Űrállomás űrhajósai számára 0,007 másodperccel lassabban telik az idő, amely 7,66 km/s sebességgel mozog a Földhöz képest, mint a bolygón élő embereknél. Még érdekesebb a helyzet az olyan részecskékkel, mint a fent említett elektronok, amelyek közel fénysebességgel tudnak haladni. Ezen részecskék esetében a lassulás mértéke óriási lesz.

Stephen Colthammer, az Egyesült Királyság Oxfordi Egyetem kísérleti fizikusa a müonoknak nevezett részecskékkel kapcsolatos példára mutat rá.

A müonok instabilak: gyorsan lebomlanak egyszerűbb részecskékre. Olyan gyorsan, hogy a Napot elhagyó müonok nagy részének le kell bomlani, mire elérik a Földet. A valóságban azonban a müonok kolosszális mennyiségben érkeznek a Földre a Napból. A fizikusok régóta próbálják kitalálni, miért.

„A válasz erre a rejtélyre az, hogy a müonok olyan energiával jönnek létre, hogy fényhez közeli sebességgel mozognak” – mondja Kolthammer. – Úgymond időérzékük, belső órájuk lassan jár.

A müonok a hozzánk képest vártnál tovább „életben maradnak”, köszönhetően az idő jelenlegi, természetes görbületének. Amikor az objektumok gyorsan mozognak más objektumokhoz képest, hosszuk is csökken, összehúzódik. Ezek a következmények, az idő dilatációja és a hosszúság csökkenése példák arra, hogy a téridő hogyan változik a dolgok – én, te vagy egy űrhajó – tömeggel való mozgásától függően.

Ami fontos, ahogy Einstein mondta, az nem befolyásolja a fényt, mivel nincs tömege. Ezért ezek az elvek kéz a kézben járnak. Ha a tárgyak a fénynél gyorsabban mozoghatnának, akkor betartanák azokat az alapvető törvényeket, amelyek leírják az univerzum működését. Ezek kulcsfontosságú elvek. Most beszélhetünk néhány kivételről és eltérésről.

Egyrészt, bár fénynél gyorsabban mozgó dolgot nem láttunk, ez nem jelenti azt, hogy ez a sebességkorlátozás elméletileg ne lehetne áthágni nagyon konkrét körülmények között. Vegyük például magát az univerzum tágulását. Az Univerzum galaxisai a fénynél sokkal gyorsabban távolodnak el egymástól.

Egy másik érdekes helyzet azokkal a részecskékkel kapcsolatos, amelyek ugyanazokkal a tulajdonságokkal rendelkeznek, függetlenül attól, milyen messze vannak egymástól. Ez az úgynevezett "kvantumösszefonódás". A foton fel-le forog, véletlenszerűen választva két lehetséges állapot közül, de a forgásirány megválasztása pontosan tükrözi a másik foton máshol, ha összegabalyodnak.

Két tudós, akik saját fotonjukat tanulmányozzák, egyidejűleg ugyanazt az eredményt kapják, gyorsabban, mint amennyit a fénysebesség lehetővé tenne.

Mindkét példában azonban fontos megjegyezni, hogy egyetlen információ sem halad a fénysebességnél gyorsabban két objektum között. Ki tudjuk számolni az Univerzum tágulását, de nem figyelhetünk meg benne fénynél gyorsabb tárgyakat: eltűntek a látómezőből.

Ami pedig a két tudóst a fotonjaival illeti, bár egy időben ugyanazt az eredményt kaphatták, nem tudták egymást gyorsabban tudomásul venni, mint ahogy a fény eljut közöttük.

"Ez nem jelent problémát számunkra, mert ha a fénynél gyorsabban tudsz jeleket küldeni, akkor bizarr paradoxonokat kapsz, amelyek szerint az információ valahogy visszautazhat az időben" - mondja Kolthammer.

A fénynél gyorsabb utazás technikailag lehetségessé tételének egy másik lehetséges módja is van: a téridő szakadásai, amelyek lehetővé teszik az utazó számára, hogy elkerülje a normál utazás szabályait.

Gerald Cleaver, a texasi Baylor Egyetem munkatársa úgy véli, hogy egy napon képesek leszünk olyan űrhajót építeni, amely gyorsabban halad, mint a fény. Ami egy féreglyukon halad át. A féreglyukak olyan hurkok a téridőben, amelyek tökéletesen illeszkednek Einstein elméleteibe. Lehetővé teszik, hogy az űrhajós a világegyetem egyik végéből a másikba ugorjon egy téridő anomáliája, valamilyen kozmikus parancsikon segítségével.

A féreglyukon áthaladó tárgy nem haladja meg a fénysebességet, de elméletileg gyorsabban érheti el a célt, mint a "normál" úton haladó fény. De előfordulhat, hogy a féreglyukak egyáltalán nem hozzáférhetők az űrutazáshoz. Lehetséges más módszer a téridő aktív torzítására, hogy valaki máshoz képest 300 000 km/s-nál gyorsabban haladjon?

Cleaver 1994-ben megvizsgálta az "Alcubierre motor" ötletét is. Leír egy olyan helyzetet, amikor a téridő az űrszonda előtt összehúzódik, előrenyomva azt, és kitágul mögötte, előre is tolva. "De aztán - mondja Cleaver - problémák merültek fel: hogyan kell csinálni, és mennyi energiára lesz szükség."

2008-ban végzős diákjával, Richard Aubosie-val kiszámolta, mennyi energiára lenne szükség.

"Elképzeltünk egy 10 m x 10 m x 10 méteres – 1000 köbméteres – űrhajót, és kiszámoltuk, hogy a folyamat elindításához szükséges energiamennyiség egy egész Jupiter tömegének felel meg."

Ezt követően folyamatosan "önteni" kell az energiát, hogy a folyamat ne érjen véget. Senki sem tudja, hogy ez valaha is lehetséges lesz-e, vagy hogy milyenek lesznek a szükséges technológiák. „Nem akarom, hogy évszázadokon át úgy idézzenek, mint valami olyasmit jósolgatni, ami soha nem fog megtörténni – mondja Cleaver –, de egyelőre nem látok megoldást.

Tehát a fénysebességnél gyorsabb utazás egyelőre csak fantázia marad. Eddig az egyetlen mód az, hogy belemerüljünk a mélyen felfüggesztett animációba. És mégsem minden rossz. A legtöbb esetben látható fényről beszéltünk. De a valóságban a fény sokkal több. A rádióhullámoktól és a mikrohullámoktól a látható fényig, az ultraibolya sugárzásig, a röntgen- és gamma-sugárzásig, amelyet az atomok bomlás közben bocsátanak ki, ezek a gyönyörű sugarak mind ugyanabból a dologból állnak: fotonokból.

A különbség az energiában van, ami azt jelenti, hogy a hullámhossz. Ezek a sugarak együttesen alkotják az elektromágneses spektrumot. Az a tény, hogy például a rádióhullámok fénysebességgel terjednek, hihetetlenül hasznos a kommunikációhoz.

Kolthammer kutatásai során olyan áramkört hoz létre, amely fotonok segítségével továbbítja a jeleket az áramkör egyik részéből a másikba, így jogot érdemel, hogy véleményt nyilvánítson a hihetetlen fénysebesség hasznosságáról.

„Maga az a tény, hogy kiépítettük például az internet infrastruktúráját, és előtte a fényre épülő rádiót, az átvitel egyszerűségéhez kapcsolódik” – jegyzi meg. És hozzáteszi, hogy a fény az Univerzum kommunikációs erejeként működik. Amikor egy mobiltelefon elektronjai remegni kezdenek, a fotonok kirepülnek, és a másik mobiltelefon elektronjai is megremegnek. Így születik egy telefonhívás. A Napban az elektronok remegése is fotonokat bocsát ki - hatalmas mennyiségben -, amelyek természetesen azt a fényt alkotják, amely a Földön meleget és, na, fényt ad.

A fény az univerzum univerzális nyelve. Sebessége - 299 792,458 km / s - változatlan marad. Mindeközben a tér és az idő alakítható. Talán nem azon kellene gondolkodnunk, hogyan haladjunk gyorsabban, mint a fény, hanem hogyan haladjunk gyorsabban ezen a téren és ebben az időben? Úgymond a gyökereknél érni?

A sebesség nagyobb, mint a fény sebessége vákuumban – ez a valóság. Einstein relativitáselmélete csak a szuperluminális információátvitelt tiltja. Ezért van jó néhány olyan eset, amikor a tárgyak gyorsabban tudnak mozogni, mint a fény, és nem zavarnak semmit. Kezdjük az árnyékokkal és a napsugarakkal.

Ha az ujjadból árnyékot készítesz egy távoli falon, amelyre egy zseblámpát világítasz, majd mozgatod az ujjadat, akkor az árnyék sokkal gyorsabban mozog, mint az ujjad. Ha a fal nagyon távol van, akkor az árnyék mozgása elmarad az ujj mozgásától, mivel a fénynek továbbra is az ujjtól a falig kell haladnia, de az árnyék mozgásának sebessége továbbra is ahányszor magasabb. Vagyis az árnyék sebességét nem korlátozza a fény sebessége.

Az árnyékok mellett a „napsugarak” is gyorsabban mozoghatnak, mint a fény. Például egy folt egy lézersugárból, amely a Holdra irányult. A Hold távolsága 385 000 km. Ha a lézert enyhén mozgatja, mindössze 1 cm-rel, akkor lesz ideje átfutni a Holdon a fénysebességnél körülbelül harmadával nagyobb sebességgel.

Hasonló dolgok történhetnek a természetben. Például egy pulzárból, egy neutroncsillagból származó fénysugár átsöpörhet egy porfelhőn. A fényes villanás táguló fény- vagy más sugárzási burkot hoz létre. Amikor áthalad a felhő felszínén, egy fénygyűrű jön létre, amely gyorsabban növekszik, mint a fénysebesség.

Ezek mind példák a fénynél gyorsabban mozgó dolgokra, amelyek azonban nem voltak fizikai testek. Árnyék vagy nyuszi segítségével az üzenet nem közvetíthető gyorsabban a fénynél, így a kommunikáció sem lehet gyorsabb a fénynél.

És itt van egy példa a fizikai testekkel kapcsolatban. A jövőre nézve azt mondjuk, hogy ismét nem lesznek FTL-üzenetek.

A forgó testhez tartozó vonatkoztatási rendszerben a távoli objektumok a fénynél gyorsabban mozoghatnak. Például az Alpha Centauri, a Föld referenciakeretében, a fénysebesség több mint 9600-szoros sebességével mozog, naponta körülbelül 26 fényév távolságot „elhaladva”. És pontosan ugyanez a példa a Holddal. Állj vele szemben, és forgasd a tengelyed körül néhány másodpercig. Ez idő alatt körülbelül 2,4 millió kilométert fordult meg körülötted, vagyis 4-szer gyorsabban, mint a fénysebesség. Ha-ha, azt mondod, nem ez forgott, de én... De ne feledjük, hogy a relativitáselméletben minden vonatkoztatási rendszer független, beleértve a forgókat is. Szóval melyik oldalt nézzük...

Szóval mit tehetsz? Nos, valójában itt nincsenek ellentmondások, mert ez a jelenség ismét nem használható fel a fénynél gyorsabb üzenetátvitelre. Figyeld meg azt is, hogy a Hold nem lépi túl a fénysebességet a közelében. Ugyanis az általános relativitáselméletben minden tilalom elő van írva a lokális fénysebesség túllépésére.

A neutrínók mozgási sebességének közvetlen mérésére szolgál. Az eredmények szenzációsan hangzanak: a neutrínó sebessége kissé – de statisztikailag szignifikánsnak – bizonyult! - több, mint a fénysebesség. A kollaboráció cikke különféle hiba- és bizonytalansági források elemzését tartalmazza, de a fizikusok túlnyomó többségének reakciója továbbra is nagyon szkeptikus, elsősorban azért, mert egy ilyen eredmény nincs összhangban más, a neutrínók tulajdonságaira vonatkozó kísérleti adatokkal.

Rizs. 1.

A kísérlet részletei

A kísérlet ötlete (lásd OPERA kísérlet) nagyon egyszerű. A neutrínósugár a CERN-ben születik, átrepül a Földön az olasz Gran Sasso-i laboratóriumba, és ott halad át a speciális OPERA neutrínódetektoron. A neutrínók nagyon gyengén lépnek kölcsönhatásba az anyaggal, de mivel a CERN-ből származó fluxusuk nagyon nagy, néhány neutrínó még mindig ütközik a detektor belsejében lévő atomokkal. Ott töltött részecskék kaszkádját generálják, és ezáltal a jelüket a detektorban hagyják. A CERN-ben a neutrínók nem folyamatosan születnek, hanem "kitörnek", és ha ismerjük a neutrínó születésének és a detektorban való elnyelésének pillanatát, valamint a két laboratórium távolságát, akkor kiszámíthatjuk a neutrínó sebességét. .

A forrás és a detektor közötti távolság egyenes vonalban körülbelül 730 km, és 20 cm-es pontossággal mértük (a referenciapontok pontos távolsága 730 534,61 ± 0,20 méter). Igaz, a neutrínók előállításához vezető folyamat egyáltalán nem lokalizált ilyen pontossággal. A CERN-ben egy nagy energiájú protonnyalábot bocsátanak ki az SPS-gyorsítóból, egy grafit céltárgyra dobják, és abban másodlagos részecskéket, köztük mezonokat generálnak. Még mindig közel fénysebességgel repülnek előre, és menet közben müonokká bomlanak le, és neutrínókat bocsátanak ki. A müonok is bomlanak, és további neutrínókat termelnek. Ekkor a neutrínók kivételével minden részecske felszívódik az anyag nagy részében, és akadálytalanul eljut a kimutatás helyére. A kísérlet ezen részének általános sémája az ábrán látható. 1.

A neutrínó nyaláb megjelenéséhez vezető teljes kaszkád több száz méterig nyúlhat. Mivel azonban összes az ebben a kötegben lévő részecskék fényhez közeli sebességgel repülnek előre, a detektálási időre gyakorlatilag nincs különbség, hogy a neutrínó azonnal vagy egy kilométeres út után született-e (azonban nagyon fontos, hogy pontosan mikor vezetett a kezdeti proton egy adott neutrínó keletkezése kirepült a gyorsítóból). Ennek eredményeként a keletkezett neutrínók nagyjából megismétlik a kezdeti protonsugár profilját. Ezért itt a kulcsparaméter pontosan a gyorsítóból kibocsátott protonnyaláb időbeli profilja, különös tekintettel az elülső és a hátsó élek pontos helyzetére, és ezt a profilt jó idővel mérjük. NS m felbontású (lásd 2. ábra).

A protonnyaláb célpontra történő kidobásának minden egyes szakasza (angolul egy ilyen munkamenetet hívnak bukás, "Splash") körülbelül 10 mikromásodpercig tart, és hatalmas számú neutrínó keletkezéséhez vezet. Csaknem mindegyik azonban interakció nélkül repül át a Földön (és a detektoron). Azokban a ritka esetekben, amikor a detektor egy neutrínót regisztrál, nem lehet megmondani, hogy a 10 mikroszekundumos intervallum mely pontján bocsátott ki. Az elemzést csak statisztikailag lehet elvégezni, azaz sok neutrínó-detektálási esetet felhalmozni, és ezek időbeli eloszlását megszerkeszteni az egyes szekciók kiindulási pontjához képest. A detektorban referenciapontnak azt a pillanatot tekintjük, amikor a fénysebességgel mozgó, pontosan a protonnyaláb elülső élének pillanatában kibocsátott feltételes jel eléri a detektort. Ennek a pillanatnak a pontos mérése a két laboratórium óráinak több nanoszekundumos pontosságú szinkronizálásának köszönhetően vált lehetővé.

ábrán. A 3. ábra egy ilyen eloszlást mutat be. A fekete pontok valódi neutrínó adatok, amelyeket a detektor rögzít, és nagyszámú munkamenet során összegzett. A piros görbe egy hagyományos "referencia" jelet mutat, amely fénysebességgel mozogna. Látható, hogy az adatok körülbelül 1048,5 ns-nál kezdődnek korábban referenciajel. Ez azonban nem azt jelenti, hogy a neutrínó valóban egy mikromásodperccel megelőzi a fényt, hanem csak arra ad okot, hogy alaposan megmérjük az összes kábelhosszt, a berendezés válaszarányát, az elektronika késleltetési idejét stb. Ezt az újraellenőrzést elvégezték, és kiderült, hogy 988 ns-el eltolja a "referencia" momentumot. Így kiderül, hogy a neutrínó jel valóban megelőzi a referenciajelet, de csak körülbelül 60 nanomásodperccel. A neutrínók sebességét tekintve ez a fénysebesség körülbelül 0,0025%-os többletének felel meg.

Ennek a mérésnek a hibáját az elemzés készítői 10 nanoszekundumra becsülték, amely statisztikai és szisztematikus hibákat is tartalmaz. Így a szerzők azt állítják, hogy hat szórásnyi statisztikai konfidenciaszinten "látják" a neutrínók szuperluminális mozgását.

Az eredmények és a várakozások közötti hat szórással való eltérés már elég nagy, és az elemi részecskefizikában a "felfedezés" hangos szóval nevezik. Ezt a számot azonban helyesen kell érteni: ez csak azt jelenti, hogy a valószínűség statisztikai Az adatok ingadozása nagyon kicsi, de nem mondja meg, hogy mennyire megbízható az adatfeldolgozási technika, és mennyire vették figyelembe a fizikusok az összes műszeres hibát. Hiszen a részecskefizikában számos példa van arra, hogy a kivételesen magas statisztikai megbízhatóságú szokatlan jeleket más kísérletek nem erősítették meg.

Minek mondanak ellent a szuperluminális neutrínók?

A közhiedelemmel ellentétben a speciális relativitáselmélet önmagában nem tiltja a fénynél gyorsabban mozgó részecskék létezését. Az ilyen részecskék (összefoglaló néven "tachionok") számára azonban a fénysebesség is korlát, de csak alulról - ennél lassabban nem mozoghatnak. Ebben az esetben a részecskék energiájának a sebességtől való függése inverznek bizonyul: minél nagyobb az energia, annál közelebb van a tachionok sebessége a fénysebességhez.

Sokkal komolyabb problémák kezdődnek a kvantumtérelméletben. Ez az elmélet felváltja a kvantummechanikát, amikor nagy energiájú kvantumrészecskékről van szó. Ebben az elméletben a részecskék nem pontok, hanem viszonylagosan egy anyagi mező csomói, és lehetetlen őket a mezőtől elkülönítve tekinteni. Kiderült, hogy a tachionok csökkentik a térenergiát, ami azt jelenti, hogy instabillá teszik a vákuumot. Ilyenkor kifizetődőbb, ha az üresség spontán módon szétesik ezeknek a részecskéknek a nagy részére, és ezért egyszerűen értelmetlen egy tachion mozgását a közönséges üres térben figyelembe venni. Azt mondhatjuk, hogy a tachion nem részecske, hanem a vákuum instabilitása.

A tachionok-fermionok esetében valamivel bonyolultabb a helyzet, de ott is felmerülnek hasonló nehézségek, amelyek meggátolják egy önkonzisztens tachion kvantumtérelmélet megalkotását, beleértve a közönséges relativitáselméletet is.

Ez azonban elméletben sem az utolsó szó. Ahogy a kísérletezők mindent mérnek, ami mérhető, az elméletalkotók is minden lehetséges hipotetikus modellt tesztelnek, amelyek nem mondanak ellent a rendelkezésre álló adatoknak. Különösen vannak olyan elméletek, amelyekben a relativitáselmélet posztulátumaitól való kis, még észre sem vett eltérés megengedett - például maga a fénysebesség is változó lehet. Az ilyen elméleteknek még nincs közvetlen kísérleti alátámasztása, de még nem zárták le őket.

Az elméleti lehetőségek e rövid vázlata a következőképpen foglalható össze: bár egyes elméleti modellekben lehetséges a szuperluminális sebességű mozgás, ezek pusztán hipotetikus konstrukciók maradnak. Az összes eddig rendelkezésre álló kísérleti adatot szabványos elméletek írják le szuperluminális mozgás nélkül. Ezért, ha még néhány részecskére is megbízhatóan megerősítené, a kvantumtérelméletet gyökeresen meg kellene változtatni.

Az OPERA eredményét ebben az értelemben tekintsük „első jelnek”? Még nem. A szkepticizmus legfontosabb oka talán az, hogy az OPERA eredménye nem egyezik a neutrínókkal kapcsolatos egyéb kísérleti adatokkal.

Először a híres SN1987A szupernóva során neutrínókat is észleltek, amelyek több órával a fényimpulzus előtt érkeztek. Ez nem azt jelenti, hogy a neutrínók gyorsabban mentek, mint a fény, hanem csak azt a tényt tükrözi, hogy a neutrínók a mag összeomlásának korábbi szakaszában bocsátódnak ki egy szupernóva-robbanás során, mint a fény. Mivel azonban a neutrínók és a fény, miután 170 ezer évet töltöttek útjukban, nem tértek el néhány óránál többel, ez azt jelenti, hogy sebességük nagyon közel van, és legfeljebb a töredék milliárdod részével tér el egymástól. Az OPERA kísérlet ezerszer erősebb eltérést mutat.

Itt persze elmondhatjuk, hogy a szupernóva-robbanások során keletkező neutrínók és a CERN-ből származó neutrínók energiája nagymértékben különbözik (a szupernóvákban több tíz MeV, a leírt kísérletben pedig 10-40 GeV), a neutrínók sebessége az energiától függően változik. De ez a változás ebben az esetben „rossz” irányban működik: elvégre minél nagyobb a tachionok energiája, annál közelebb kell lennie a sebességüknek a fény sebességéhez. Természetesen itt lehet gondolni a tachion elmélet néhány módosítására, amelyben ez a függőség teljesen más lenne, de ebben az esetben szükséges lesz a "kettős hipotetikus" modell tárgyalása.

Továbbá az elmúlt években a neutrínó rezgésekre vonatkozó kísérleti adatokból az következik, hogy az összes neutrínó tömege csak az elektronvolt töredékében tér el egymástól. Ha az OPERA eredményt a neutrínók szuperluminális mozgásának megnyilvánulásaként érzékeljük, akkor legalább egy neutrínó tömegének négyzetének értéke - (100 MeV) 2 nagyságrendű lesz (a tömeg negatív négyzete a matematikai megnyilvánulása annak, hogy a részecskét tachionnak tekintik). Akkor ezt el kell ismerned összes A neutrínó fajtái tachionok és megközelítőleg azonos tömegűek. Másrészt a trícium atommagok béta-bomlásában a neutrínó tömegének közvetlen mérése azt mutatja, hogy a neutrínó tömege (abszolút értékben) nem haladhatja meg a 2 elektronvoltot. Vagyis mindezek az adatok nem egyeztethetők egymással.

Ebből a következő következtetés vonható le: az OPERA együttműködés deklarált eredménye nehezen illeszthető bele bármilyen, még a legegzotikusabb elméleti modellbe is.

Mi a következő lépés?

Valamennyi nagy részecskefizikai együttműködésben az a szokásos gyakorlat, hogy minden egyes elemzést a résztvevők egy kis csoportja végez el, és az eredményeket csak ezután hozzuk fel általános vitára. Jelen esetben úgy tűnik, ez a szakasz túl rövid volt, aminek következtében az együttműködésben nem minden résztvevő vállalta, hogy a cikk alatt aláírja az aláírást (a teljes listán 216 kísérleti résztvevő szerepel, az előnyomatnak pedig csak 174 szerzője van) . Ezért a közeljövőben nagy valószínűséggel számos további ellenőrzésre kerül sor az együttműködésen belül, és csak ezt követően kerül kinyomtatásra a cikk.

Természetesen most elméleti cikkek folyamára számíthatunk, különféle egzotikus magyarázatokkal erre az eredményre. Amíg azonban a deklarált eredményt nem igazolják megbízhatóan, az nem tekinthető teljes értékű felfedezésnek.

Gyakran mondjuk ezt a fénysebesség a maximumon van az univerzumunkban, és hogy semmi sem tudna gyorsabban mozogni, mint a fénysebesség vákuumban. És még inkább - mi. A közel fénysebességhez közeledve a tárgy tömegre és energiára tesz szert, ami vagy tönkreteszi, vagy ellentmond Einstein általános relativitáselméletének. Tegyük fel, hogy elhisszük ezt, és megkerülő megoldásokat keresünk (például, vagy kitaláljuk), hogy elrepüljünk a legközelebbi csillagig, amely nem 75 000 éves, hanem néhány hetes. De mivel kevesen rendelkezünk felsőfokú testneveléssel, nem világos, miért mondják ezt az utcán a fénysebesség maximális, állandó és 300 000 km/s?

Sok egyszerű és intuitív magyarázat létezik arra, hogy miért van ez így, de kezdheted utálni őket. Az interneten végzett keresés elvezeti Önt a "relativisztikus tömeg" fogalmához, és ahhoz a tényhez, hogy több erőre van szükség egy olyan tárgy felgyorsításához, amely már nagy sebességgel mozog. A speciális relativitáselmélet matematikai apparátusának ez a szokásos értelmezési módja, de sokakat, és különösen Önt, kedves olvasóinkat félrevezet. Mert nagyon sokan közületek (és mi is) úgy ízleljük meg a magas fizikát, mint amikor az egyik ujjunkat a sós vízbe mártják, mielőtt megmártóznának. Ennek eredményeként sokkal összetettebbé és kevésbé szebbé válik, mint amilyen valójában.

Vizsgáljuk meg ezt a kérdést az általános relativitáselméletnek megfelelő geometriai értelmezésben. Kevésbé nyilvánvaló, de valamivel nehezebb, mint nyilakat papírra rajzolni, így sokan azonnal megértik az absztrakciók, például a „hatalom” és a nyílt hazugságok, mint például a „relativisztikus tömeg” elméletét.

Először is határozzuk meg, mi az irány, hogy egyértelműen meghatározzuk a helyünket. Lefelé az irány. Úgy határozzák meg, mint az az irány, amelybe a dolgok esnek, amikor elengeded őket. A "fel" a "le" irány ellentéte. Vegyen fel egy iránytűt, és határozzon meg további irányokat: észak, dél, nyugat és kelet. Mindezeket az irányokat komoly bácsik "ortonormális (vagy ortogonális) alapként" határozzák meg, de most jobb, ha nem gondolunk rá. Tegyük fel, hogy ez a hat irány abszolút, hiszen ott fognak létezni, ahol nehéz kérdésünkkel fogunk foglalkozni.

Most adjunk hozzá még két irányt: a jövőbe és a múltba. Nem könnyen mozoghatsz ezekben az irányokban tetszés szerint, de elég könnyűnek kell lennie ahhoz, hogy elképzelje őket. A jövő az az irány, ahová a holnap jön; a múlt az az irány, ahol a tegnap van.

Ez a nyolc fő irány – fel, le, észak, dél, nyugat, kelet, múlt és jövő – írja le az univerzum alapvető geometriáját. Ezen irányok mindegyik párját "dimenziónak" nevezhetjük, tehát egy négydimenziós univerzumban élünk. Egy másik kifejezés ennek a négydimenziós megértésnek a meghatározására a „tér-idő”, de megpróbáljuk kerülni ennek a kifejezésnek a használatát. Ne feledje, hogy a mi összefüggésünkben a „tér-idő” ugyanaz, mint az „Univerzum” fogalom.

Gyere a színpadra. Nézzük a szereplőket.

Most a számítógépe előtt ülve mozgásban van. Nem érzed. Úgy tűnik neked, hogy nyugalomban vagy. De ez csak azért van, mert körülötted is minden mozog. Nem, ne gondolja, hogy arról beszélünk, hogy a Föld a Nap körül kering, vagy a Nap áthalad a galaxison, és magával húz minket. Ez természetesen így van, de most nem erről beszélünk. Mozgáson a „jövő” felé irányuló mozgást értjük.

Képzelje el, hogy csukott ablakú vasúti kocsiban van. Nem látni az utcát, és például a sínek olyan hibátlanok, hogy nem lehet érezni, megy-e a vonat vagy sem. Ezért a vonatban ülve nem tudja megmondani, hogy valóban vezet-e vagy sem. Nézz ki az utcára, és rájössz, hogy a táj elsöpör. De az ablakok zárva vannak.

Csak egy módon lehet tudni, hogy költözik-e vagy sem. Csak ülj és várj. Ha a vonat megáll az állomáson, nem történik semmi. De ha a vonat halad, előbb-utóbb új állomásra érkezel.

Ebben a metaforában a hintó mindent reprezentál, amit a körülöttünk lévő világban láthatunk – házat, Vaska macskáját, csillagokat az égen stb. – A következő állomás a holnap.

Ha mozdulatlanul ülsz, és Vaska macska nyugodtan alszik a napi óráit, nem fogod érezni a mozgást. De a holnap biztosan eljön.

Ezt jelenti a jövő felé haladni. Csak az idő fogja eldönteni, mi igaz: forgalom vagy parkolás.

Egyelőre elég egyszerűnek kellett volna lennie, hogy elképzelje. Nehéz lehet az időre mint irányra gondolni, és még inkább önmagára, mint egy időben áthaladó tárgyra. De meg fogod érteni. Most kapcsolja be a képzeletét.

Képzelje el, hogy valami szörnyűség történik, amikor autójában vezet: a fékek meghibásodnak. Furcsa egybeesés folytán a gáz és a sebességváltó egyszerre akadt el. Se gyorsítani, se megállni nem lehet. Az egyetlen dolog, ami megvan, az a kormánykerék. Megváltoztathatja a mozgás irányát, de a sebességét nem.

Természetesen az első dolga, hogy megpróbál belehajtani egy puha bokorba, és valahogy finoman megállítani az autót. De most ne alkalmazzuk ezt a trükköt. Koncentráljunk csak a hibás autó sajátosságaira: irányt lehet változtatni, sebességet nem.

Így haladunk az univerzumban. Van kormányod, de nincs pedálod. Miközben ül és olvassa ezt a cikket, maximális sebességgel egy szebb jövő felé halad. És amikor felkelsz, hogy sirályt csinálj magadból, megváltoztatod a mozgás irányát a téridőben, de a sebességét nem. Ha nagyon gyorsan haladsz a térben, az idő egy kicsit lassabban fog folyni.

Ez könnyen megjeleníthető, ha papírra rajzolunk egy tengelypárt. A felfelé és lefelé tartó tengely az idő tengelye, felfelé a jövőt jelenti. A vízszintes tengely a teret jelenti. A térnek csak egy dimenzióját tudjuk megrajzolni, hiszen a papírlap kétdimenziós, de képzeljük el, hogy ez a fogalom a tér mindhárom dimenziójára vonatkozik.

Rajzoljon egy nyilat a koordináta tengelyének origójából ott, ahol összefolynak, és mutasson felfelé a függőleges tengely mentén. Nem számít, milyen hosszú, csak vegye figyelembe, hogy csak egy hosszúságú lesz. Ez a nyíl, amely most a jövő felé mutat, azt jelenti, amit a fizikusok "négysebességesnek" neveznek. Ez a mozgásod sebessége a téridőben. Jelenleg mozdulatlan vagy, így a nyíl csak a jövő felé mutat.

Ha a térben szeretne haladni - a koordinátatengelyen jobbra - meg kell változtatnia a négysebességet, és be kell kapcsolnia a vízszintes komponenst. Kiderült, hogy el kell forgatni a nyilat. De amint ezt megteszed, észre fogod venni, hogy a nyíl már nem mutat olyan magabiztosan felfelé, a jövőbe, mint korábban. Most az űrben haladsz, de a jövőben fel kellett áldoznod a mozgást, mivel a négysebességes nyíl csak forogni tud, de kitágulni vagy összehúzódni soha.

Itt kezdődik a híres "idődilatációs" effektus, amiről a speciális relativitáselméletbe kicsit is beavatva mindenki beszél. Ha térben mozogsz, nem haladsz olyan gyorsan az időben, mint ha mozdulatlanul ülnél. Az Ön órája lassabban ketyeg az időt, mint egy nem mozgó személy órája.

És most elérkeztünk annak a kérdésnek a megoldásához, hogy miért nincs értelme a „fénynél gyorsabb” kifejezésnek univerzumunkban. Nézze meg, mi történik, ha a lehető leggyorsabban szeretne áthaladni az űrben. A négysebességes nyilat egészen addig forgatja, amíg a vízszintes tengely mentén nem mutat. Emlékezzünk arra, hogy a nyíl nem nyújtható. Csak forogni tud. Tehát a lehető legnagyobb mértékben növelte az űrben való áthaladási sebességet. De lehetetlenné vált még gyorsabban haladni. A nyílnak nincs hová fordulnia, különben "egyenesebb" vagy "vízszintesebb" lesz. Ehhez a fogalomhoz teszed egyenlőségjelet a "fénynél gyorsabb". Egyszerűen lehetetlen három hallal és hét kenyérrel etetni egy hatalmas nemzetet.

Ez az oka annak, hogy az univerzumban semmi sem tud gyorsabban haladni a fénynél. Mert a „fénynél gyorsabb” kifejezés a mi univerzumunkban egyenértékű az „egyenesebb” vagy „vízszintesebb” kifejezéssel.

Igen, van még néhány kérdése. Miért csak foroghatnak a négysebességes vektorok és nem nyúlhatnak? Erre a kérdésre van válasz, de ez a fénysebesség invarianciájával kapcsolatos, ezt későbbre hagyjuk. És ha csak hiszi, egy kicsit kevésbé lesz tájékozott ebben a kérdésben, mint a bolygónkon valaha létezett legbriliánsabb fizikusok.

A szkeptikusok csodálkozhatnak, miért használjuk a tér geometriájának egyszerűsített modelljét, amikor euklideszi forgásokról és körökről beszélünk. A való világban a téridő geometriája Minkowski geometriájának engedelmeskedik, a fordulatok pedig hiperbolikusak. De a magyarázat egyszerű változatának joga van az élethez.

Valamint egy egyszerű magyarázat erre,.

A fény terjedési sebessége másodpercenként 299 792 458 méter, de ez már nem határérték. A "futurista" 4 elméletet gyűjtött össze, ahol a fény már nem Michael Schumacher.

Egy japán származású amerikai tudós, az elméleti fizika szakértője, Michio Kaku biztos abban, hogy a fénysebesség leküzdhető.

Nagy durranás

A fénysorompó leküzdésének leghíresebb példája, Michio Kaku az ősrobbanásnak nevezi – egy ultragyors „pop”-nak, amely az univerzum tágulásának kezdete lett, és egészen egyedülálló állapotban volt.

„Egyetlen anyagi tárgy sem tud áthatolni a fénysorompón. De az üres tér minden bizonnyal gyorsabban mozoghat, mint a fény. Semmi sem lehet üresebb, mint a vákuum, ami azt jelenti, hogy gyorsabban tágulhat, mint a fénysebesség” – állítja a tudós.

Zseblámpa az éjszakai égbolton

Ha megvilágít egy lámpát az éjszakai égbolton, akkor elvileg egy sugár, amely az Univerzum egyik részéből a másikba megy, sok fényév távolságra található, gyorsabban mozoghat, mint a fénysebesség. A probléma az, hogy ebben az esetben nem lesz olyan anyagi tárgy, amely valóban gyorsabban mozog, mint a fény. Képzeld el, hogy egy fényév átmérőjű óriási gömb vesz körül. Egy fénysugár képe pillanatok alatt végigsöpör ezen a gömbön, mérete ellenére. De csak egy sugár képe mozoghat gyorsabban az éjszakai égbolton, mint a fény, nem pedig információ vagy anyagi tárgy.

Kvantumösszefonódás

Lehet, hogy a fénysebességnél gyorsabb nem egy tárgy, hanem egy egész jelenség, vagy inkább kvantumösszefonódásnak nevezett összefüggés. Ez egy kvantummechanikai jelenség, amelyben két vagy több objektum kvantumállapotai kölcsönösen függenek egymástól. Egy pár összegabalyodott foton létrehozásához egy lézert meghatározott frekvenciával és intenzitással rávilágíthat egy nemlineáris kristályra. A lézersugár szóródása következtében két különböző polarizációs kúpban jelennek meg a fotonok, amelyek közötti kapcsolatot kvantumösszefonódásnak nevezzük. Tehát a kvantumösszefonódás az egyik módja a szubatomi részecskék kölcsönhatásának, és ennek a kapcsolatnak a folyamata gyorsabb lehet, mint a fény.

„Ha két elektront összehozunk, a kvantumelmélet szerint egyhangúan rezegnek. De ha azután ezeket az elektronokat sok fényévvel elosztja, akkor is tartják a kapcsolatot egymással. Ha megrázod az egyik elektront, a másik is érezni fogja ezt a rezgést, és ez gyorsabban fog megtörténni, mint a fénysebesség. Albert Einstein úgy gondolta, hogy ez a jelenség megcáfolja a kvantumelméletet, mivel semmi sem tud gyorsabban mozogni, mint a fény, de valójában tévedett ”- mondja Michio Kaku.

Féreglyukak

A fénysebesség leküzdésének témája számos tudományos-fantasztikus filmben felvetődik. Most még azok is hallják a "féreglyuk" kifejezést, akik távol állnak az asztrofizikától, köszönhetően az "Interstellar" című filmnek. Ez egy speciális görbület a téridő rendszerben, egy alagút a térben, amely lehetővé teszi, hogy az ember elhanyagolható idő alatt leküzdje a hatalmas távolságokat.

Ilyen torzulásokról nemcsak filmforgatókönyvírók beszélnek, hanem tudósok is. Michio Kaku úgy véli, hogy a féreglyuk, vagy ahogy más néven féreglyuk, egyike a két legreálisabb módja annak, hogy a fénysebességnél gyorsabban továbbítsák az információkat.

A második út, amely szintén az anyag változásaihoz kapcsolódik, az előtted lévő tér összehúzódása, mögötted pedig a tágulás. Ebben a deformált térben hullám keletkezik, amely gyorsabban halad, mint a fénysebesség, ha sötét anyag szabályozza.

Így az egyetlen igazi esély az ember számára, hogy megtanulja, hogyan kell leküzdeni a fénykorlátot, az általános relativitáselméletben, valamint a tér és idő görbületében rejtőzhet. Azonban minden ezen a sötét anyagon nyugszik: senki sem tudja, hogy biztosan létezik-e, és hogy a féreglyukak stabilak-e.