Udało się przekroczyć prędkość światła

Data ostatniej modyfikacji:
2016-03-27
Autor: 
Małgorzata Mikołajczyk
pracownik IM UWr

Z fizyki relatywistycznej (czyli szczególnej teorii względności Einsteina) wiadomo, że obiekty materialne nie mogą osiągnąć prędkości światła w próżni (w miarę zbliżania się do niej potrzebna do rozpędzenia się energia rośnie do nieskończoności). Naukowcom udało się jednak po raz pierwszy w historii osiągnąć prędkość nadświetlną (czyli większą od c).

Jak to możliwe? Taką prędkość mogą osiągać obiekty nieprzenoszące informacji ani energii i nie przeczy to szczególnej teorii względności. Naukowcom udało się sprawić, że pojedynczy impuls świetlny podróżował setki razy szybciej niż powinien normalnie. Przemieszczał się tak szybko, że opuścił specjalnie przygotowaną komorę zanim w ogóle w całości się w niej znalazł.

Przed wiekami ludzie byli przekonani, że prędkość światła jest nieskończona. Jej pierwszego w historii pomiaru planował dokonać Galileusz, używając do tego latarni ustawionych na dwóch wzgórzach za miastem. Wraz z asystentem odsłaniali i zasłaniali latarnie, próbując zmierzyć czas do chwili zauważenia sygnału. Oczywiście ze względu na ogromną prędkość światła i bardzo duży błąd pomiaru próba ta skazana była na niepowodzenie. Ale przynajmniej próbowali.

W 1676 roku Ole Rømer, opierając się na obserwacji księżyców Jowisza, ustalił, że światło potrzebuje mniej niż sekundy, by przebyć odległość 13 000 km. W 1907 roku Albert Michelson otrzymał Nagrodę Nobla za bardzo dokładne pomiary prędkości światła.

Dziś wiadomo, że prędkość rozchodzenia się fali elektromagnetycznej w próżni (zwana potocznie prędkością światła) nie zależy od częstotliwości fali i jest uniwersalną stałą fizyczną równą 299 792 458 m/s (często dla uproszczenia przyjmuje się 3·108 m/s). Wiadomo było, że w ośrodkach innych niż próżnia w wyniku oddziaływania fotonów światła z materią można spowolnić rozchodzenie się światła. W ostatnich eksperymentach udało się dojść do prędkości 69 km/h, a nawet zatrzymać je na bardzo krótki czas. Jednak zgodnie ze szczególną teorią względności,  żaden obiekt mający niezerową masę spoczynkową nie może osiągnąć prędkości światła w próżni, choć może się do niej dowolnie zbliżyć. Tzw. prędkość nadświetlna (czyli większą od prędkości światła w próżni) była do tej pory domeną jedynie literatury fantastycznonaukowej.

A jednak prędkość światła udało się przekroczyć. Dokonali tego naukowcy z Princeton. Ich rezultaty tylko pozornie są sprzeczne z podstawami teorii względności Einsteina.  Prędkość nadświetlną mogą osiągać obiekty nieprzenoszące informacji ani energii (np. cień, prędkość fazowa fali). W swoim eksperymencie fizycy amerykańscy naukowcy wykorzystali pojedynczy impuls elektromagnetyczny nie posiadający masy.

Odkrycie sposobów na osiągnięcie prędkości nadświetlnej mogłoby być bardzo ważnym krokiem dla rozwoju ludzkości. Już wewnątrz Układu Słonecznego opóźnienie w przesyłaniu informacji jest istotnym ograniczeniem. Jeżeli kiedyś ludzie postawią nogę na Marsie, to my na Ziemi dowiemy się o tym najwcześniej po ok. trzech minutach (odległość Ziemi do Marsa wynosi od 3 do 20 minut świetlnych). Tyle czasu potrzeba falom radiowym na pokonanie tej drogi. Tak wielkie opóźnienie bardzo utrudnia prowadzenie międzyplanetarnych rozmów na żywo i sprawne sterowanie urządzeniami. Dopiero komunikacja z prędkością nadświetlną jest szansą, aby "wykonać telefon" na Marsa. Najbliższa Ziemi (oprócz Słońca) gwiazda jest od nas odległa o ponad 4 lata świetlne, a podobne do Ziemi planety - o tysiące lat (patrz tekst Układ Słoneczny bis?). Tylko statek kosmiczny pokonujący odległości międzygwiazdowe szybciej niż światło mógłby pozwolić na dotarcie do odległych ciał niebieskich w ciągu ludzkiego życia.

   

Garść pytań

Na lotniskowcu umieszczamy dwa odrzutowce i rozpędzamy lotniskowiec do prędkości światła. Pierwszy odrzutowiec jest ustawiony w kierunku poruszania się lotniskowca, a drugi przeciwnie. Odpowiedz na pytania:

  • Jeśli w pierwszym odrzutowcu włączymy światła (w kierunku jazdy), to czy światło wyleci z lamp? A może wyleci i będzie miało prędkość dwa razy większą od prędkości światła?
  • Jeśli w drugim odrzutowcu włączymy światła (przeciwnie do kierunku jazdy), to czy światło wyleci z lamp?
  • Jeśli pierwszy odrzutowiec zacznie startować (w kierunku jazdy), to czy wyprzedzi lotniskowiec? Czy będzie miał prędkość łączną większą od prędkości światła? I czy mając prędkość własną dużo mniejszą niż lotniskowiec, w ogóle będzie mógł wystartować?
  • Jeśli z pierwszego odrzutowca wystrzelimy rakiety (w kierunku jazdy), to czy w ogóle wylecą, mając prędkość mniejszą  od prędkości światła?
  • Jeśli drugi odrzutowiec wystartuje (przeciwnie do kierunku jazdy), to czy zmniejszy przez to swoją prędkość i będzie wolniejszy od prędkości światła?

Odpowiedzi na wszystkie

Odpowiedzi na wszystkie pytani brzmią: Takiego eksperymentu nie uda się wykonać, bo żaden lotniskowiec (ani nic innego o masie niezerowej) nie uzyska prędkości światła. Natomiast jeżeli lotniskowiec byłby blisko prędkości światła to odpowiedzi są następujące:
- Pierwszy odrzutowiec zapali światła i światło będzie szybsze od lotniskowca o różnicę między prędkościami, będzie mgół wystartować tylko jeżeli potrafi być jeszcze szybsze od lotniskowca, ale nie szybsze od prędkości światła, jeżeli wystrzeli rakiety które potrafią być szybsze od odrzutowca (w locie) lub lotniskowca (odrzutowiec w stanie spoczynku), ale nie szybsze od prędkości światła to rakiety odlecą. W innych wypadkach (odrzutowiec i rakieta mają mniejsze prędkości od lotniskowca), odrzutowiec po oderwaniu się od lotniskowca spadnie daleko za lotniskowcem, tam samo jak rakiety po wystrzeleniu.
- W drugim odrzutowcu lampy normalnie będą pracować, a obserwator normalnie zobaczy światło, gdyż światło w reflektorze jest nadal szybsze od lotniskowca która ma bliską ale nie taką samą prędkość jak światło. Tak samo jeżeli chciałby wystartować, to musi mieć prędkość większą od lotniskowca a mniejsza niż światło.
- Jeżeli jednak rozpatrujemy poza próżnią to odpowiedzi mogą się różnić. Ogólnie pytania wyłącznie na logikę, gdyż bazują na jednym aspekcie który zadając pytania chyba pomijasz: żadna materia o niezerowej masie nie może osiągnąć prędkości światła. I to musisz pojąć.

Odpowiedzi na powyższe pytania i odpowiedzi

Takiego eksperymentu nie da się wykonać z braku nieskończonej energii potrzebnej do rozpędzenia masywnego lotniskowca lub czegokolwiek masywnego do prędkości c.

Rozważmy eksperyment w próżni i obserwatorów inercjalnych poruszających się wzdłuż jednej osi z lotniskowcem. Niech V - prędkość lotniskowca, u+ i u- - prędkości odrzutowców odpowiednio o zwrotach zgodnym i przeciwnym do V, analogicznie dla rakiet - r+ i r-.

1. Odrzutowce w układzie poruszającego się lotniskowca spoczywają i pozbawione punktu odniesienia nie są w stanie stwierdzić swojego ruchu (podobnie jak lotniskowiec w swoim własnym układzie stwierdza V=0). Światło w próżni ma prędkość c (dla każdego obserwatora). Światło będzie szybsze od lotniskowca o prędkość światła, podobnie od odrzutowca bez względu na ich prędkość i kierunek.

2. Startujący odrzutowiec w trakcie nabierania prędkości nie jest układem inercjalnym, ale dla każdego dowolnie krótkiego odcinka toru istnieje układ inercjalny współporuszający się, z którego wszystkie wcześniejsze obserwacje są zgodne. Odrzutowiec nabiera prędkości względem lotniskowca aż osiągnie zamierzoną prędkość u+ dowolnie bliską c. Jednocześnie pilot w środku stwierdzi, że względem niego to lotniskowiec się porusza i ma prędkość równą -u+. Jeśli rozważane układy miną obserwatora w spoczynku (tego, w którego układzie lotniskowiec porusza się z prędkością V), to prędkość odrzutowca w jego układzie wyniesie u+' = (V+u+)/1+(V·u+)/c2
(relatywistyczne składanie prędkości).

3. Odrzutowiec skierowany przeciwnie będzie startował tak samo - początkowo spoczywa w układzie lotniskowca.

4. Prędkość rakiety względem obserwatora spoczywającego składa się tak, jak prędkość odrzutowca, który ją wystrzelił, w tym wypadku będzie to r+'= (u+'+ r+)/1 + (u+r+)/c2.

5. Abstrahując od niemożliwości osiągnięcia prędkości światła przez obiekty masywne, przyjmijmy że V = c i u+ = c (względem obserwatora w spoczynku lotniskowiec ma prędkość c i względem lotniskowca odrzutowiec ma prędkość c). Wówczas prędkość odrzutowca względem obserwatora spoczywającego wyniesie u+'= c+c/(1+ c·c/c2) = 2c/2 = c - wzór opisujący poprawne składanie prędkości (również tych "małych", wówczas w granicy poprawki relatywistyczne stają się zaniedbywalnie małe) nie pozwala na przekroczenie c. Jeśli ktoś miałby coś do zarzucenia takiej arytmetyce, to zdradzę, że powyższe wnioski co do właściwego dodawania prędkości wynikają z równań transformacyjnych Lorentza.

Bonusowy, dość zaskakujący fakt: równania Lorentza i dalej cała konstrukcja szczególnej teorii względności wcale nie wymagają postulowania istnienia jakiejś wyróżnionej prędkości c. Wystarczy przyjęcie zasady równoważności układów inercjalnych i oczekiwanie, by prawa kinematyki obowiązywały i były zgodne dla każdego obserwatora. Analiza równań transformacyjnych sama prowadzi do odkrycia pewnej stałej o wymiarze [s2/m2] - odwrotność kwadratu prędkości - która akurat dla transformacji wymiarów czasu i przestrzeni w naszym Wszechświecie ma wartość (jak eksperymentalnie zmierzono) 1/c2. Dlaczego właśnie tyle? To póki co pozostaje zagadką :>

Powrót na górę strony