Greičiau už šviesą. UFO Page

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.

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.

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.

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-Camelia⁸⁾ ir Joao Magueijo²⁾ darbais. Viena šios teorijos pasekmių yra kintamas šviesos greitis, nes fotono greitis gali kisti priklausomai nuo energijos ir kai kurios nulinės masės el. 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.

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 S. 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.

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.

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 tachionais. Jų egzistavimas neįrodytas, tačiau net jei jos ir egzistuotų, jų nebūtų galima panaudoti perduoti informacijai didesniu už šviesą greičiu.

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.

Dar dėl sliekangių

Savistovi praeinama sliekangė yra gravitacinės teorijos sprendinys (žr. Kas gali būti - tas yra! , Sliekangės – laiko mašinos bei Sliekangės ir torsioniniai laukai).

Sliekangės (arba kirmgraužos) yra skirtingas visatas arba tos pačios visatos skirtingas sritis jungiantis tiltas. Pirmiausiai paminėta L. Flamm‘o³⁾, kuris suprato, kad Schwarzschild‘o sprendinys gali būti suprastas kaip sliekangė. Vėliau Einšteinas su Rosen‘u³⁾ sukūrė el. dalelės modelį, kuris yra du lapai, kuriuos jungia siaura žarnelė (1935). Po „masė be masės“, kaip išplėtota Wheeler‘io ir Misner‘io⁵⁾ „Geometrodinamikoje“ (1957), tema atgijo Morris ir Thorne darbe (1988). Nepaisant to, kad buvo aptariami skirtingi kvantinės gravitacijos momentai, bendra tiems darbams tai, kad galutinis gravitacinis poveikis yra priklausomas nuo mastelio.

Per tolimesnius 20 m. M. Visser‘io⁶⁾ knyga tapo šios srities autoritetingu šaltiniu. O neseniai F. Lobo⁷⁾ (2017) atnaujino sliekangių teorijos būsenos apžvalgą. Sliekangė

Bėda su praeinamomis sliekangėmis ta, kad jos pažeidžia klasikinės energijos sąlygas. Materija, kuri leidžia pereinamų sliekangių buvimą, vadinama egzotine. Dėl to tenka nagrinėti kvantinius reiškinius siekiant išsiaiškinti praeinamumo klausimą. Kadangi dar nėra pilnos kvantinės gravitacijos teorijos, buvo daug skirtingų pastangų pasiaiškinti jų fizikinius aspektus - jų apžvalga:
[24] C. Kiefer, Quantum Gravity: General Introduction and Recent Developments// Annalen Phys. 15, 129, 2005

Spėti, kol neužsivėrė

Vis tik jų modeliai laiko, kad jos labai trapios ir gali susprogti, jei kas nors pateks į jų vidų. Tačiau dabar modeliavimas numato, kad šviesos impulsas vis tik gali aplenkti tą kolapsą. Benas Keinas su savo studentais iš Šv. Kryžius koledžo Masačiusetse nustatė (kaip paskelbta 2022 m. „Physical Review D“), kad vis tik kirmgrauža užsitrenks ne taip sparčiai, kad per ją negalėtume išsiųsti žinutę namo. Jų teoriškai sukonstruota praeinama kirmgrauža remiasi egzotiška „vaiduokliška“ materija su neigiama energija. Yra kažkiek įrodymų, kad nežymus neigiamos energijos kiekis gali būti sukurtas kvantinių efektų dėka (nors jos gali ir nepakakti kirmgraužos sukūrimui). Nors tai vis dar yra ties riba to, kas yra ir kas nėra mokslu.
Vis tik į tokią kirmgraužą kažkiek įleiskime įprastos materijos – ir tiltas pradės siaurėti, o po to ir pranyks, o abiejų galų įėjimai užsidarys ir virs dviem juodosiomis skylėmis. Ir nors tas procesas labai greitas, tačiau vis tik pasibaigia ne akimirksniu – ir hipotetiškai galima būtų spėti per kirmgraužą išsiųsti zondą, kad būtų kažkas sužinoma apie kitą jos galą. Vis tik modeliavimo metu per ją praeidavo ne visa siųsta materija, tad neaišku, ar tas zondas nepažeistu pasiektų tikslą. Tik gaila, kad tai, kad materija suarto tokią kirmgraužą, taip pat reiškia, kad būtų nepaprastai sunku ilgesnį laiką ją išlaikyti (ir net sukurti).

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 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.

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 Faster than Light

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.

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 Čerenkovo¹⁾ atrastas elektromagnetinio spinduliavimo reiškinys, kai turinčios krūvį el. 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).

¹⁾ 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.

²⁾ Žuanas Mageižu (Joao Magueijo, g. 1967 m.) – portugalų kosmologas, kintančio šviesos greičio (VSL) teorijos pradininkas. Su juo siejamas anizotropijos terminas, o taip pat įvedė terminą „blogio ašis“ – tai hipotetinė pailga sritis, aplink kurią orientuojasi visa Visatos struktūra.. Šiuo metu dirba Didžiojoje Britanijoje. VSL teorijai, laikomai alternatyvia infliacijos teorijai, skirta jo knyga „Greičiau už šviesą: mokslinių spekuliacijų istorija“ (2003). 2009 m. išleido puikią be žinios dingusio fiziko E. Marojanos bioografiją „Spindinti tamsa“.

³⁾ Liudvikas Flamas (Ludwig Flamm, 1885-1964) – austrų fizikas, kilęs iš laikrodoninkų šeimos. 1922-56 m. profesoriavo Vienos Technikos un-te. Darbavosi įvairiose teorinės fizikos srityse, tame tarpe kvantinės mechanikos ir bendrosios reliatyvumo teorijos. Buvo vienas pirmųjų, aprašęs sprendinius, vedančius prie sliekangių.

⁴⁾ Natanas Rozenas (Nathan Rosen, 1909-1995) – amerikiečių ir Izraelio fizikas, žinomas kaip vienas Einšteino-Podolskio-Rozeno (EPR) paradokso sukūrėjų, o tap pat bendrais darbais su A. Einšteinu bendrosios reliatyvumo teorijos, kvantinės mechanikos ir kosmologijos srityse. Einšteino-Rozeno tiltas, vėliau pavadintas sliekange (kirmgrauža) buvo jo sukurta teorija. Didžiausiu jo pasiekimu buvo vandenilio molekulės struktūros apibūdinimas. 1953 m. persikėlė į Izraelį ir dirbo Haifos Technione, padėjo įsteigti Izraelio MA, buvo įvairių draugijų pirmininku.

⁵⁾ Čarlzas Mizneris (Charles W. Misner, g. 1932 m.) – amerikiečių fizikas, kurio specializacija bendroji reliatyvumo teorija ir kosmologija. Darbai skirti kvantinei gravitacijai ir skaitmeniniam reliatyvumui. Vienas vadovėlio „Gravitacija“ autorių. Jis atrado tikslų Einšteino lygčių sprendinį, kuris dabar vadinamas Miznerio erdve.

⁶⁾ Matas Viseris (Matt Visser, ) - Velingtono (Naujoji Zelandija) matematikos prof., užsiimantis bendrąja reliatyvumo teorija, kvantine laukų teorija ir kosmologija. Paskelbė nemažai straipsnių apie sliekanges, gravitacinį horizontą ir akustinę metriką. Parašė knygą apie sliekangių teorijos dabartinę padėtį:
M. Visser. Lorentzian wormholes: From Einstein to Hawking, 1996

⁷⁾ Francisko S.N. Lobo – Lisabonos un-to tyrinėtojas, dirbantis gravitacijos teorijų, tamsiosios materijos modelių, kosmologijų, kvantinių laukų, juodųjų skylių, Lorenco sliekangių srityse. Parengė sliekangių teorijos situacijos apžvalgą:
Wormholes, warp drives and energy conditions, ed. F.S.N. Lobo, 2017

⁸⁾ Džiovanis Amelino-Kamelija (Giovanni Amelino-Camelia, g. 1965 m.) – italų fizikas, užsiimantis kvantinės gravitacijos klausimais. Sukūrė dvigubą specialiąją reliatyvumo teoriją įvedant Planko ilgio kaip nepriklausomą nuo stebėtojo dydį. Tai atvedė prie kvantinio erdvėlaikio nekomutatyvios geometrijos idėjos. Jis pirmasis parodė, kad kai kuriuose eksperimentuose galima užregistruoti Planko mastelio efektus.