Кои са 4-те космически явления, които пътуват по-бързо от светлината

Когато Алберт Айнщайн за първи път предрича, че светлината се придвижва в цялата Вселена с една и съща скорост, той освен това я застопорява до 299 792 км в секунда – достатъчно бързо да обикаля цялата Земя на всяка секунда.

Но това не е цялата история. Всъщност това е само началото.
Преди Айнщайн, масата – атомите, които изграждат вас, мен и всичко около нас – и енергията се разглеждат като отделни понятия.

Но през 1905 г. Айнщайн завинаги променя начина, по който физиците възприемат Вселената. Специалната теория на относителността завинаги обвързва масата и енергията в едно просто, но въпреки това фундаментално уравнение: Е = mc2.

Това малко уравнение постановява, че нищо с маса не може да се движи със скоростта на светлината, нито пък по-бързо. Човечеството се е доближавало най-много до скоростта на светлината в мощните ускорители на частици като Големия адронен колайдер и Теватрона.

Тези колосални машини ускоряват субатомните частици до 99.99% скоростта на светлината, но физикът и Нобелов лауреат Дейвид Грос обяснява, че частиците никога няма да достигнат космическата скорост на светлината.

За да го направят, ние се нуждаем от безкрайно количество енергия и в процеса масата на обекта ще стане безкрайна, което е невъзможно. (Причината светлинните частици, наречени фотони, да пътуват със светлинна скорост е, защото те нямат маса.)

След Айнщайн физиците откриват, че определени обекти могат да достигнат супер светлинна скорост („по-бърза от светлинната“) и все пак да се придържат към законите в космоса, постановени от специалната теория на относителността.

Въпреки че това не отхвърля теорията на Айнщайн, тези обекти и явления ни дават възможност да наблюдаваме странното поведение на светлината в царството на квантовата физика.

Светлинният еквивалент на звуковата бомба

Когато обектите пътуват по-бързо от звука, те създават т. нар. звукова бомба. На теория, ако нещо пътува по-бързо от скоростта на светлината, също трябва да създава нещо като „светлинна бомба“.
Всъщност тази светлинна бомба се случва всеки ден в различни съоръжения по света и можете да я видите с очите си. Нарича се ефект (излъчване) на Черенков и се проявява като синьо сияние в ядрените реактори. Това лъчение е кръстено на съветския учен Павел Алексеевич Черенков, който за първи път я измерва през 1934 г., а през 1958 г. получава Нобелова награда за откритието си.

При ефекта на Черенков се излъчва сияние, защото ядрото на реактора е потопено във вода, за да се охлажда. Във водна среда светлината пътува със 75% от скоростта във вакуума на космическото пространство, но електроните, създадени от реакцията в ядрото, пътуват през водата по-бързо от светлината.

Частиците, като тези електрони, които надминават скоростта на светлината във вода, или някои други среди като стъкло, създават шокова вълна, подобна на онази вследствие на звукова бомба.
Например, когато ракетата лети във въздуха, тя създава отпред вълни от налягане, които се разпространяват със скоростта на звука, и колкото повече ракетата се доближава до звуковата бариера, толкова по-малко време имат вълните да се махнат от пътя на обекта.

Щом веднъж достигнат скоростта на звука, вълните се обединяват, създавайки шоков фронт, който създава шумна звукова бомба.

По подобен начин, когато електроните пътуват през водата със скорост, по-голяма от тази на светлината във водна среда, те създават шокова вълна от светлина, която понякога свети в синьо, но може и в ултравиолетово.

Въпреки че тези частици пътуват по-бързо от светлината във вода, те всъщност не надминават космическата пределна скорост от 299 792 км в секунда.

Когато законите не важат

Не забравяйте, че специалната теория на Айнщайн твърди, че нищо с маса не може да се движи по-бързо от светлината, и доколкото е известно на физиката, Вселената следва това правило.

Но как стоят нещата за обект без маса?

Поради своята природа фотоните не могат да надминават скоростта на светлината, но частиците светлина не са единствените обекти без маса във вселената. Празното пространство не съдържа никаква материя, поради което по определение няма маса.

„Тъй като нищо не е само празно пространство или вакуум, не може да се разширява по-бързо от скоростта на светлината, тъй като нито един материален обект не може да наруши светлинната бариера,“ казва теоретичният астрофизик Мичио Каку. „Поради тази причина празното пространство може определено да се разширява по-бързо от светлината.“

Това е точно онова, което физиците смятат, че се е случило непосредствено след Големия взрив през епохата, наречена инфлация, която е теоретизирана за пръв път от физиците Алън Гут и Андрей Линде през 80-те години на миналия век.

За трилионна част от трилионната част от секундата Вселената е удвоила няколко пъти размера си, в резултат на което външният й край се разширява много бързо, по-бързо от скоростта на светлината.

Квантовото заплитане отговаря на изискванията

„Ако два електрона се намират близо един до друг, според квантовата теория те могат да вибрират в унисон,“ обяснява Каку.

Сега, разделете тези два електрона, така че те да се отдалечат на стотици или дори хиляди светлинни години един от друг – те ще продължат да поддържат този комуникационен мост помежду си отворен.

„Ако сръчкам единия електрон, другият ще ‘усети‘ тази вибрация на момента, по-бързо от скоростта на светлината. Айнщайн смята, че това опровергава квантовата теория, тъй като нищо не може да се движи по-бързо от скоростта на светлината,“ казва още Каку.

Всъщност през 1935 г. Айнщайн, Борис Подолски и Нейтън Розен се опитват да опровергаят експериментално квантовата теория чрез изследване, наречено от Айнщайн, „странно поведение на близко и далечно разстояние“.

По ирония на съдбата тяхната статия полага основите на онова, което днес наричаме парадокса на Айнщайн-Подолски-Розен, който описва моменталната комуникация на квантовото заплитане – неделима част от едни от най-революционните технологии в света в момента, като квантовата криптография.

Лелеяните червееви дупки

Тъй като нищо с маса не може да пътува по-бързо от светлината, можете да се сбогувате с междузвездното пътуване – поне в класическия смисъл на думата „пътуване“ – чрез ракети и други космически апарати.

Въпреки че Айнщайн направи на пух и прах нашите въжделения за дълги пътешествия в открития космос със своята специална теория на относителността, той ни даде и нова надежда за междузвездни пътувания с общата теория на относителността – през 1915 г.

Докато специалната теория обединява масата и енергията, общата теория преплита пространството и времето.

„Единственият възможен начин за преодоляване на светлинната бариера може би е чрез общата теория на относителността и изкривяването на времето и пространството,“ казва Каку.

Именно това изкривяване ние разговорно наричаме червеева дупка, която на теория би позволила на обектите да пътуват на огромни разстояния на момента и би ни позволило да преминем границата на пределната космическа скорост: да изминаваме немислими разстояния за изключително кратък период от време.

През 1988 г. теоретичният физик Кип Торн – научният консултант и изпълнителен продуцент на излезлия преди няколко години филм „Интерстелар“ – използва уравненията на Айнщайн за общата теория на относителността, за да предскаже вероятността за съществуване на червееви дупки, които ще бъдат отворени винаги за космически пътешествия.

Но за да са ни полезни, тези червееви дупки се нуждаят от някаква странна екзотична материя, която да ги държи отворени.

„Днес е невероятен фактът, че подобна екзотична материя може да съществува, благодарение на странността на законите на квантовата физика“, пише Торн в своята книга The Science of Interstellar.
Нещо повече, тази екзотична материя дори е създавана в няколко лаборатории на Земята, но в много малки количества.

Когато Торн представя своята теория за стабилните червееви дупки през 1988 г., той призовава обществото на физиците да му помогне да открие дали достатъчно количество материя може да съществува във Вселената, за да поддържа отворена червеевата дупка.

„Това предизвика много изследвания на много физици; но днес, почти 30 години по-късно, отговорът е все още неизвестен“, пише Торн.

Към момента нещата не изглеждат много оптимистично, „Но все още сме далеч от крайния отговор“, казва в заключение той.