Pada bulan September 2011, ahli fizik Antonio Ereditato mengejutkan dunia. Kenyataannya dapat mengubah pemahaman kita tentang alam semesta terbalik. Sekiranya data yang dikumpulkan oleh 160 saintis OPERA itu betul, yang luar biasa akan diperhatikan. Zarah - dalam hal ini neutrino - bergerak lebih pantas daripada cahaya. Menurut teori relativiti Einstein, ini mustahil. Dan akibat dari pemerhatian itu sangat luar biasa. Mungkin asas-asas fizik harus dikaji semula.
Walaupun Ereditato mengatakan bahawa dia dan pasukannya "sangat yakin" dalam keputusan mereka, mereka tidak mengatakan bahawa data itu tepat. Sebaliknya, mereka meminta saintis lain untuk menolong mereka mengetahui apa yang sedang berlaku.
Pada akhirnya, ternyata keputusan OPERA itu salah. Kabel yang tidak tersambung dengan baik menyebabkan masalah penyegerakan dan isyarat dari satelit GPS tidak tepat. Terdapat kelewatan isyarat yang tidak dijangka. Akibatnya, pengukuran waktu yang diperlukan untuk neutrino untuk menempuh jarak tertentu menunjukkan 73 nanodetik tambahan: nampaknya neutrino terbang lebih cepat daripada cahaya.
Walaupun sudah berbulan-bulan meneliti sebelum memulakan eksperimen dan memeriksa semula data selepas itu, para saintis itu salah. Ereditato mengundurkan diri, walaupun terdapat banyak komen yang mengatakan bahawa kesalahan seperti itu selalu berlaku kerana kerumitan alat pemecut zarah yang sangat kompleks.
Mengapa anggapan - hanya anggapan - bahawa sesuatu boleh bergerak lebih cepat daripada cahaya menyebabkan bunyi seperti itu? Sejauh mana kita yakin bahawa tidak ada yang dapat mengatasi halangan ini?
Mari kita lihat kedua soalan ini terlebih dahulu. Kelajuan cahaya dalam vakum adalah 299,792.458 kilometer sesaat - untuk kemudahan, bilangan ini dibulatkan hingga 300,000 kilometer sesaat. Ia agak pantas. Matahari berjarak 150 juta kilometer dari Bumi, dan cahaya darinya sampai ke Bumi hanya dalam lapan minit dan dua puluh saat.
Bolehkah mana-mana ciptaan kita bersaing dalam perlumbaan melawan cahaya? Salah satu objek buatan manusia terpantas yang pernah dibina, penyelidikan ruang angkasa New Horizons melintas Pluto dan Charon pada bulan Julai 2015. Dia mencapai kelajuan relatif dengan Bumi 16 km / s. Jauh kurang dari 300,000 km / s.
Namun, kami mempunyai zarah-zarah kecil yang bergerak sangat cepat. Pada awal 1960-an, William Bertozzi di Massachusetts Institute of Technology bereksperimen dengan mempercepat elektron ke kelajuan yang lebih tinggi.
Video promosi:
Oleh kerana elektron mempunyai cas negatif, ia dapat dipercepat - lebih tepat dihalau - dengan mengenakan cas negatif yang sama pada bahan. Semakin banyak tenaga digunakan, semakin cepat elektron memecut.
Seseorang akan berfikir bahawa anda hanya perlu meningkatkan tenaga yang digunakan untuk mempercepat hingga kecepatan 300,000 km / s. Tetapi ternyata elektron tidak dapat bergerak secepat itu. Eksperimen Bertozzi menunjukkan bahawa menggunakan lebih banyak tenaga tidak menyebabkan peningkatan berkadar langsung dalam kelajuan elektron.
Sebaliknya, sejumlah besar tenaga tambahan terpaksa digunakan untuk mengubah kelajuan elektron sedikit. Ia semakin hampir dan semakin hampir dengan kelajuan cahaya, tetapi tidak pernah mencapainya.
Bayangkan berjalan ke pintu dengan langkah kecil, yang masing-masing menempuh jarak setengah dari kedudukan anda sekarang ke pintu. Tegasnya, anda tidak akan sampai ke pintu, kerana setelah setiap langkah yang anda ambil, anda akan mempunyai jarak yang harus ditempuhi. Bertozzi menghadapi masalah seperti itu ketika berurusan dengan elektronnya.
Tetapi cahaya terdiri daripada zarah-zarah yang disebut foton. Mengapa zarah-zarah ini dapat bergerak pada kelajuan cahaya, tetapi elektron tidak dapat?
"Apabila objek bergerak lebih cepat dan cepat, objek menjadi semakin berat - semakin berat, semakin sukar untuk memecut, jadi anda tidak akan sampai ke kecepatan cahaya," kata Roger Rassoul, seorang ahli fizik di University of Melbourne di Australia. "Foton tidak mempunyai jisim. Sekiranya dia mempunyai jisim, dia tidak dapat bergerak dengan kecepatan cahaya."
Foton adalah istimewa. Mereka tidak hanya kekurangan massa, yang memberi mereka kebebasan bergerak sepenuhnya dalam ruang kosong, mereka juga tidak perlu mempercepat. Tenaga semula jadi yang mereka miliki bergerak dalam gelombang, seperti yang mereka lakukan, jadi pada masa penciptaan mereka sudah mempunyai kelajuan maksimum. Dari satu segi, lebih mudah menganggap cahaya sebagai tenaga daripada aliran zarah, walaupun sebenarnya, cahaya adalah keduanya.
Walau bagaimanapun, cahaya bergerak jauh lebih perlahan daripada yang kita jangkakan. Walaupun teknologi internet suka membincangkan komunikasi yang beroperasi pada "kelajuan cahaya" dalam serat, cahaya bergerak 40% lebih perlahan di dalam gelas serat itu daripada yang dilakukan dalam keadaan hampa.
Pada kenyataannya, foton bergerak dengan kelajuan 300,000 km / s, tetapi mereka mengalami sejumlah gangguan, gangguan yang disebabkan oleh foton lain yang dipancarkan oleh atom kaca ketika gelombang cahaya utama berlalu. Ini mungkin tidak mudah difahami, tetapi sekurang-kurangnya kita mencuba.
Dengan cara yang sama, dalam rangka eksperimen khas dengan foton individu, adalah mungkin untuk memperlambatnya dengan cukup berkesan. Tetapi dalam kebanyakan kes, jumlah 300.000 akan berlaku. Kami belum melihat atau membuat apa-apa yang boleh bergerak secepat, atau lebih cepat. Terdapat perkara-perkara khas, tetapi sebelum kita menyinggungnya, mari kita menyentuh persoalan kita yang lain. Mengapa begitu penting agar peraturan kelajuan cahaya dipatuhi dengan ketat?
Jawapannya ada kaitan dengan lelaki bernama Albert Einstein, seperti yang sering berlaku dalam bidang fizik. Teori relativiti khasnya mengkaji banyak akibat dari had kelajuan sejagatnya. Salah satu elemen teori yang paling penting ialah idea bahawa kelajuan cahaya adalah tetap. Tidak kira di mana anda berada atau seberapa pantas anda bergerak, cahaya sentiasa bergerak dengan kelajuan yang sama.
Tetapi ini mempunyai beberapa masalah konsep.
Bayangkan cahaya jatuh dari lampu suluh ke cermin di siling kapal angkasa pegun. Lampu naik, dipantulkan dari cermin dan jatuh di lantai kapal angkasa. Katakan ia merangkumi jarak 10 meter.
Sekarang bayangkan bahawa kapal angkasa ini mula bergerak dengan kelajuan kolosal ribuan kilometer sesaat. Apabila anda menyalakan lampu suluh, cahaya berkelakuan seperti sebelumnya: cahaya bersinar ke atas, memukul cermin dan dipantulkan di lantai. Tetapi untuk melakukan ini, cahaya harus menempuh jarak pepenjuru, bukan jarak menegak. Bagaimanapun, cermin kini bergerak pantas dengan kapal angkasa.
Oleh itu, jarak yang dilalui cahaya meningkat. Katakan 5 meter. Ternyata keseluruhannya 15 meter, bukan 10.
Walaupun begitu, walaupun jaraknya meningkat, teori Einstein menyatakan bahawa cahaya masih akan bergerak dengan kelajuan yang sama. Oleh kerana kelajuan adalah jarak dibahagi dengan masa, kerana kelajuan tetap sama dan jarak meningkat, waktu juga harus meningkat. Ya, masa itu sendiri mesti berlanjutan. Walaupun kedengarannya pelik, ia telah disahkan secara eksperimen.
Fenomena ini dipanggil pelebaran masa. Masa bergerak lebih perlahan bagi orang yang melakukan perjalanan dengan kenderaan yang bergerak pantas, berbanding dengan mereka yang tidak bergerak.
Sebagai contoh, masa berjalan 0,007 saat lebih perlahan bagi angkasawan di Stesen Angkasa Antarabangsa, yang bergerak pada jarak 7,66 km / s berbanding Bumi, jika dibandingkan dengan manusia di planet ini. Lebih menarik lagi ialah keadaan dengan zarah-zarah seperti elektron yang disebutkan di atas, yang dapat bergerak hampir dengan kelajuan cahaya. Sekiranya zarah-zarah ini, tahap perlambatan akan sangat besar.
Stephen Colthammer, seorang ahli fizik eksperimen di University of Oxford di UK, menunjukkan contoh zarah yang disebut muon.
Muon tidak stabil: mereka cepat merosot menjadi zarah yang lebih sederhana. Begitu pantas sehingga kebanyakan muon yang meninggalkan Matahari akan reput ketika mereka sampai di Bumi. Tetapi pada kenyataannya, muon tiba ke Bumi dari Matahari dalam jumlah besar. Ahli fizik telah lama berusaha mengetahui sebabnya.
"Jawapan untuk misteri ini adalah bahawa muon dihasilkan dengan tenaga sedemikian sehingga mereka bergerak dengan kecepatan dekat dengan cahaya," kata Kolthammer. "Rasa masa mereka, jadi untuk bercakap, jam dalaman mereka berjalan perlahan."
Muons "bertahan" lebih lama daripada jangkaan berbanding kita, berkat kelengkungan masa kini yang semula jadi. Apabila objek bergerak dengan cepat berbanding objek lain, panjangnya juga berkurang, berkontrak. Akibat ini, pelebaran masa dan penurunan panjang, adalah contoh bagaimana perubahan jarak masa bergantung pada pergerakan benda - saya, anda, atau kapal angkasa - dengan jisim.
Apa yang penting, seperti yang dikatakan Einstein, tidak mempengaruhi cahaya, kerana ia tidak mempunyai jisim. Inilah sebabnya mengapa prinsip-prinsip ini berjalan seiring. Sekiranya objek dapat bergerak lebih cepat daripada cahaya, mereka akan mematuhi undang-undang asas yang menggambarkan bagaimana alam semesta berfungsi. Ini adalah prinsip utama. Sekarang kita boleh membincangkan beberapa pengecualian dan pengecualian.
Di satu pihak, walaupun kita tidak melihat sesuatu bergerak lebih cepat daripada cahaya, ini tidak bermaksud bahawa had kelajuan ini secara teorinya tidak dapat dipecahkan dalam keadaan yang sangat spesifik. Sebagai contoh, perhatikan pengembangan alam semesta itu sendiri. Galaksi di Alam Semesta bergerak satu sama lain dengan kelajuan jauh lebih pantas daripada cahaya.
Keadaan lain yang menarik ialah zarah yang mempunyai sifat yang sama pada masa yang sama, tidak kira jarak antara satu sama lain. Ini adalah apa yang disebut "keterikatan kuantum". Foton akan berputar ke atas dan ke bawah, memilih secara rawak dari dua keadaan yang mungkin, tetapi pilihan arah putaran akan mencerminkan secara tepat pada foton lain di tempat lain jika ia terjerat.
Dua saintis, masing-masing mempelajari foton mereka sendiri, akan mendapat hasil yang sama secara serentak, lebih cepat daripada yang dibenarkan oleh kelajuan cahaya.
Walau bagaimanapun, dalam kedua-dua contoh ini, perlu diketahui bahawa tidak ada maklumat yang bergerak lebih cepat daripada kelajuan cahaya antara dua objek. Kita dapat mengira pengembangan Alam Semesta, tetapi kita tidak dapat melihat objek dengan lebih cepat daripada cahaya di dalamnya: benda-benda itu telah hilang dari bidang pandangan.
Bagi kedua saintis dengan fotonnya, walaupun mereka dapat memperoleh hasil yang sama pada waktu yang sama, mereka tidak dapat saling memberitahu tentangnya lebih cepat daripada cahaya yang bergerak di antara mereka.
"Ini tidak menimbulkan masalah bagi kami, kerana jika anda dapat menghantar isyarat lebih cepat daripada cahaya, anda akan mendapat paradoks pelik yang menurutnya maklumat entah bagaimana dapat berjalan dalam masa yang lama," kata Kolthammer.
Terdapat cara lain yang mungkin untuk membuat perjalanan lebih cepat daripada ringan secara teknikal: pergeseran dalam ruang-waktu yang akan membolehkan pelancong menghindari peraturan perjalanan biasa.
Gerald Cleaver dari Baylor University di Texas percaya bahawa suatu hari kita mungkin dapat membina kapal angkasa yang bergerak lebih pantas daripada cahaya. Yang bergerak melalui lubang cacing. Lubang cacing adalah gelung dalam ruang-waktu yang sesuai dengan teori Einstein. Mereka boleh membiarkan angkasawan melompat dari satu hujung alam semesta ke ujung yang lain dengan menggunakan anomali pada masa-masa, beberapa bentuk jalan pintas kosmik.
Objek yang bergerak melalui lubang cacing tidak akan melebihi kecepatan cahaya, tetapi secara teorinya dapat mencapai tujuannya lebih cepat daripada cahaya yang bergerak di sepanjang jalan "normal". Tetapi lubang cacing mungkin tidak dapat diakses untuk perjalanan angkasa sama sekali. Mungkinkah ada cara lain untuk secara aktif memutarbelitkan ruang-waktu untuk bergerak lebih cepat dari 300,000 km / s berbanding orang lain?
Cleaver juga meneroka idea "mesin Alcubierre" yang dicadangkan oleh ahli fizik teori Miguel Alcubierre pada tahun 1994. Dia menggambarkan situasi di mana ruang-waktu berkontraksi di depan kapal angkasa, mendorongnya ke depan, dan mengembang di belakangnya, juga mendorongnya ke depan. "Tetapi kemudian," kata Cleaver, "timbul masalah: bagaimana melakukannya dan berapa banyak tenaga yang diperlukan."
Pada tahun 2008, dia dan pelajar siswazahnya Richard Aubosie mengira berapa banyak tenaga yang diperlukan.
"Kami membayangkan kapal angkasa 10m x 10m x 10m - 1000 meter padu - dan mengira bahawa jumlah tenaga yang diperlukan untuk memulakan proses itu setara dengan jisim keseluruhan Musytari."
Selepas itu, tenaga mesti sentiasa "dicurahkan" supaya prosesnya tidak berakhir. Tidak ada yang tahu apakah ini mungkin berlaku, atau seperti apa teknologi yang diperlukan. "Saya tidak mahu disebut selama berabad-abad sebagai meramalkan sesuatu yang tidak akan pernah berlaku," kata Cleaver, "tetapi saya belum melihat penyelesaiannya."
Jadi, perjalanan lebih pantas daripada kelajuan cahaya tetap menjadi fantasi buat masa ini. Sejauh ini, satu-satunya cara untuk mengunjungi eksoplanet semasa hidup adalah dengan terjun ke dalam animasi yang ditangguhkan. Namun tidak semuanya buruk. Dalam kebanyakan kes, kita bercakap mengenai cahaya yang dapat dilihat. Tetapi pada hakikatnya, cahaya jauh lebih banyak. Dari gelombang radio dan gelombang mikro hingga cahaya yang dapat dilihat, sinaran ultraviolet, sinar-X dan sinar gamma yang dipancarkan oleh atom ketika mereka merosot, sinar indah ini semuanya terdiri daripada benda yang sama: foton.
Perbezaannya adalah dalam tenaga, yang bermaksud panjang gelombang. Bersama-sama, sinar ini membentuk spektrum elektromagnetik. Fakta bahawa gelombang radio, misalnya, bergerak pada kelajuan cahaya sangat berguna untuk komunikasi.
Dalam penyelidikannya, Kolthammer membuat litar yang menggunakan foton untuk memindahkan isyarat dari satu bahagian litar ke bahagian lain, jadi dia berhak memberikan komen mengenai kegunaan kelajuan cahaya yang luar biasa.
"Fakta bahawa kita membina infrastruktur Internet, misalnya, dan sebelum itu radio berdasarkan cahaya, ada hubungannya dengan kemudahan yang dapat kita sampaikan," katanya. Dan dia menambah bahawa cahaya bertindak sebagai kekuatan komunikasi alam semesta. Apabila elektron dalam telefon bimbit mula bergetar, foton terbang keluar dan menyebabkan elektron di telefon bimbit lain juga bergegar. Ini adalah bagaimana panggilan telefon dilahirkan. Gegaran elektron di Matahari juga memancarkan foton - dalam jumlah besar - yang, tentu saja, membentuk cahaya yang memberi kehidupan di Bumi kehangatan dan, ahem, cahaya.
Cahaya adalah bahasa sejagat semesta. Kelajuannya - 299 792.458 km / s - tetap berterusan. Sementara itu, ruang dan masa mudah ditempa. Mungkin kita tidak boleh memikirkan bagaimana untuk bergerak lebih cepat daripada cahaya, tetapi bagaimana untuk bergerak lebih cepat melalui ruang ini dan kali ini? Untuk matang di akar umbi, boleh dikatakan?
