Когда Альберт Эйнштейн продемонстрировал, что скорость света в вакууме одинакова во всех системах отсчета, что сделало ее универсальной постоянной, он также определил предел этой скорости. Сегодня утверждение «ничто не может двигаться быстрее света» имеет почти значение пословицы. Однако некоторые физические явления, кажется, иногда создают впечатление, справедливое или ошибочное, что этот фундаментальный предел не так уж непреодолим.
В 1905 году немецкий физик Альберт Эйнштейн опубликовал свою работу по специальной теории относительности. В последнем он определяет ограничение скорости, обозначаемое как « c » (для скорости), с которой движется любая частица с нулевой массой и невозможно достичь любого массивного объекта Точнее, это максимальная скорость, с которой информация может распространяться в пустоте. Получается, что этот предел скорости, таким образом, совпадает со скоростью света в вакууме, зафиксированной на уровне 299'792'458 м/с
Специальная теория относительности также принесла одну из самых символичных формул в физике: E=mc², перевод эквивалентность массы-энергии Эта эквивалентность показывает, что чем больше массивный объект ускоряется до релятивистских скоростей, тем выше энергия, необходимая для обеспечения этого ускорения; поэтому для достижения предела скорости необходимо было бы обеспечить бесконечную энергию, потому что масса объекта сама стремилась бы к бесконечности.
В настоящее время только с помощью БАК физикам удалось приблизиться к фундаментальному пределу, установленному теорией относительности. Действительно, внутри ускорителя частиц протоны разгоняются до 99,9999991% скорости света в вакууме. Но, как напоминает нам лауреат Нобелевской премии по физике Дэвид Гросс, частицы никогда не достигнут последней. Несмотря на это, некоторые необычные физические явления производят удивительное впечатление выхода за пределы «с».
1. Эффект Вавилова-Черенкова: когда частица преодолевает «стену света»
Когда объект достигает скорости звука в воздухе (1224 км/ч), возникает ударная волна в виде сверхзвукового взрыва; это звуковой барьер. Следовательно, теоретически мы могли бы ожидать наблюдения того же явления, касающегося скорости света, своего рода «стены света». Это светящееся явление называется эффектом Вавилова-Черенкова.
Наблюдаемое и изученное в 1934 году русскими физиками Сегеем Вавиловым и Павлом Черенковым черенковское излучение (даже если оба физика стоят у истоков открытия, в публикации фигурирует только имя Черенкова, он также получил Нобелевскую премию по физике в 1958 году) представляет собой вспышку света, возникающую, когда заряженная частица движется быстрее света в диэлектрической среде
В материальной среде с показателем преломления «n» свет распространяется со скоростью c1=c/n. В воде свет распространяется со скоростью 75% своей скорости в вакууме. Так что другие частицы могут двигаться быстрее скорости света в воде. В частности, это происходит в ядерных реакторах, охлаждаемых бассейном с водой; высокоэнергетические электроны от ядерных реакций распространяются быстрее, чем фотоны в бассейне, производя голубоватую вспышку света
На своей траектории заряженная частица изменяет электронную поляризацию встречающихся атомов. Последние испускают излучение, интерференция испускаемых волн которого является конструктивной, создавая тем самым световой конус. Частота этого света зависит от рассматриваемой среды. В случае воды вспышка приобретает сине-фиолетовый цвет.
2. Расширение Вселенной: пространство быстрее света?
В 1980 году физики Ален Гут и Андрей Линде предложили инфляционную модель. В конце Большого Взрыва Вселенная должна была пройти фазу кратковременного и сильного расширения, увеличив свой размер как минимум в фактор 1030 Чтобы такое расширение за такое короткое время стало возможным, оно должно происходить с чрезвычайно высокой скоростью. Быстрее скорости света в вакууме.
Тем не менее, ограничение скорости, определенное Эйнштейном, применимо только к массивным или информационным объектам. Что же тогда делать с пространством-временем, как это было во время инфляции? «Поскольку ткань пространства-времени можно свести к пустому пространству, она может расширяться быстрее скорости света, поскольку в этом процессе не участвует никакой материальный объект», - объясняет известный физик Митио Каку. «Поэтому пространство определенно может расширяться быстрее света».
Это также то, что происходит в больших масштабах в явлении ускорения расширения Вселенной На таких расстояниях расширение Вселенной быстрее, чем «с». Однако это не представляет проблемы для специальной теории относительности по двум причинам. Во-первых, расширяется только пространство, а само пространство не состоит из какой-либо информации, энергии или массы; Массивные объекты, с другой стороны, не двигаются, они просто увлекаются расширением. Во-вторых, расширение технически характеризуется не скоростью, а темпом (скоростью расширения), поэтому его нельзя напрямую сравнивать с «с».
3. Квантовая запутанность: мгновенная передача?
Квантовая механика принесла свою долю странных явлений, включая квантовую запутанность Когда две квантовые системы (например, частицы) запутаны, они то образуют лишь единую целостную, уникальную и единую систему; мы больше не можем описывать каждую из частиц отдельно, потому что две их исходные волновые функции сливаются в одну. Физическое измерение одной частицы влечет за собой мгновенно, независимо от разделяющего их расстояния, измерение другой.
Это мгновенное измерение часто создает впечатление процесса, происходящего намного быстрее скорости света. Однако это математическая ошибка интерпретации Действительно, при запутывании никакая информация n не передается и не обменивается между двумя частицы
Мгновенность измерения является результатом просто уникальности волновой функции; поскольку две частицы имеют одну и ту же волновую функцию, все, что влияет на последнюю, влияет на обе частицы одновременно. Другими словами, частицы находятся в общем математическом пространстве, и когда измерение производится в этом пространстве, оно воздействует на обе частицы одновременно.
Кроме того, квантовая запутанность не избегает проблемы измерения. То есть невозможно определить, в каком состоянии окажется каждая из частиц после измерения. Поэтому невозможно использовать запутанность для разработки системы мгновенной связи. Наконец, как мы видели, мгновенность - это только математический процесс, который нельзя приравнять к реальной скорости и, следовательно, нельзя сравнивать со скоростью света в вакууме.
4. Червоточины: сверхсветовое путешествие?
В 1915 году Альберт Эйнштейн опубликовал свою теорию общей теории относительности, в которой пространство и время тесно переплетены и становятся динамическим объектом. После этой работы многие физики стремились найти различные решения уравнений гравитационного поля. Эти решения, называемые также « метриками», позволяют описывать различные конфигурации пространства-времени.
Среди этих различных метрик мы находим метрику Шварцшильда (описывающую статическую черную дыру), метрику Керра (описывающую вращающуюся черную дыру) или метрику FLRW (однородную и изотропную Вселенную). Хотя эти решения хорошо описаны и математически непротиворечивы, появились и другие, менее понятные. В частности, это относится к червоточине, которая описывает особую конфигурацию, в которой зона пространства-времени сворачивается, образуя «туннель».
Сворачивая таким образом часть пространства-времени на себя, можно было бы соединить два конца Вселенной, обычно на расстоянии нескольких тысяч, если не миллионов или миллиардов лет, свет и, теоретически, использовать этот «кратчайший путь» для преодоления очень больших расстояний за очень короткое время. Путешествие на такие большие расстояния за такое короткое время иногда воспринимается как сверхсветовое путешествие.
Тем не менее, необходимо также переопределить контекст такого явления. В случае, если путешественник проходит через туннель червоточины, это будет просто кратчайший путь в пространстве-времени, а не путешествие со скоростью, превышающей скорость свет в вакууме. Ведь в червоточине путник сохраняет свою крейсерскую скорость. Следовательно, сверхсветового путешествия не существует.
Даже если бы физик Кип Торн в 1988 году опубликовал работу, подтверждающую возможность сохранения стабильности отверстия червоточины, чтобы использовать его для движения, такая стабильность потребовала бы добавления экзотического материала. Экзотическая материя представляет собой форму гипотетической небарионной материи, потенциально присутствующей в нашей Вселенной.
После этой работы несколько физиков попытались улучшить теоретические модели червоточин.«Это вызвало множество исследований со стороны многих физиков; но сегодня, почти 30 лет спустя, удовлетворительного ответа так и не найдено», - заключает Торн.