PETA DIMENZIJA

MOŽE BRŽE OD SVETLOSTI

Tenor

Brzina svetlosti (c) u vakuumu je oko 300.000 kilometara u sekundi i prema zakonima prirode kakve poznajemo nijedno telo (materija), energija ili informacija ne može putovati brže od nje – ona se smatra čvrstom granicom za prenos svih podataka u svemiru.

Podaci koje sateliti šalju na Zemlju sa svojih misija putuju brzinom svetlosti, budući da sateliti informaciju šalju u vidu elektromagnetskih talasa, a svetlost je deo elektromagnetskog spektra. Ako nam dolaze s Meseca koji je udaljen oko 300.000 kilometara od Zemlje, stići će za jednu sekundu. Ukoliko dolaze sa Saturnovog meseca Titana, biće im potrebno oko 71 minut kada nam je Titan najbliži, a oko 88 kada je najdalji.

Brzina svetlosti zavisi od toga kroz kakvu se sredinu kreće. Primerice, kroz staklo se kreće sporije nego kroz vazduh, zato vidimo kako se zrak svetla u staklu lomi. Ta priroda svetlosti omogućila je stvaranje optičkih leća. Ograničenje brzine putovanja brzinom svetlosti verovatno nikada neće biti premašeno, osim ako ne nađemo način da ga nekako zaobiđemo. Na primer, da putujemo kroz crvotočine u prostor-vremenu ili da stvaramo mehure prostor-vremena koji će putovati u prostor-vremenu.

Naime, ograničenje koje vredi za kretanje svetlosti kroz prostor-vrijeme ne vredi za kretanje samih dielova prostor-vremena. Zbog toga se neki daleki delovi svemira u njegovoj ekspanziji od nas mogu udaljavati brzinama većim od brzine svetlosti, a da zakoni Ajnšatjnove relativnosti ne budu prekršeni. Zapravo, najveći deo svemira koji vidimo, preko 90%, već je prešao granicu iza koje se od nas udaljava brzinom većom od svetlosti. Uprkos tome, mi te delove vidimo jer je svetlost iz njih krenula pre mnogo miliona godina.

Zašto ne može brže?

U popularizaciji nauke brzina svetlosti kao granica najčešće se predstavlja pojednostavljenim tumačenjem povezanosti prostora i vremena.

U teoriji relativnosti prostor i vreme nisu dva odvojena svojstva svemira kako se to zamišljalo pre Ajnštajna; ona su međusobno povezana i nazivaju se prostor-vreme. U tom prostor-vremenu, koji se može prikazati koordinatnim sistemom u kojem je jedna koordinata prostor, a druga vreme, sve se uvek kreće nekom istom ukupnom” brzinom. Primerice, ako stojimo na mestu u smislu kretanja kroz prostor, kretaćemo se maksimalnom brzinom u vremenu. Obratno, ako se krećemo maksimalnom brzinom u prostoru, naša će brzina u vremenu biti nula (slika gore). To je ono što kaže teorija relativnosti – što se brže krećemo kroz prostor, to sporije kucaju naši satovi.

Problem se pojavio

Fizičar prof. dr Hrvoje Buljan s Fizičkog odseka PMF-a u Zagrebu kaže da je za razumevanje ove zahtevne teme potrebno pre svega razumeti brzinu svetlosti. „Ajnštajnova specijalna teorija relativnosti iz 1905. kaže da energija i materija ne mogu putovati brže od brzine svetlosti u vakuumu”, kaže Buljan.No, vrlo brzo nakon Ajnštajnovog otkrića fizičare su zabrinula razmatranja talasnih paketa svetlosti, odnosno grupa talasa raznih frekvencija. Naime, njihovu brzinu opisujemo grupnom brzinom svetlosnih talasnih paketa koja u nekim materijalima može biti i veća od brzine svetlosti, što je paradoks jer proizlazi iz teorije klasične elektrodinamike iz 19. veka koja je u skladu s Ajnštajnovom relativnošću.

Fizičar Arnold Zomerfeld pokazao je 1910. da front pravougaonog talasnog paketa ne može putovati brže od brzine svetlosti u vakuumu, a Leon Brijuen je ukazao na nedostatak koncepta grupne brzine kada disperzija svetlosti pokazuje anomalna svojstva. S laserskim tehnologijama postalo je moguće stvarati talasne pakete svetlosti raznoraznih kompleksnih oblika. Razvojem novih materijala i realizacijom stanja materije, poput hladnih atomskih gasova ili plazme, postalo je moguće dizajnirati sredine (medije) koje usporavaju ili ubrzavaju svetlost, odnosno grupnu brzinu svetlosnih talasnih paketa. Ponašanje talasnih paketa svetlosti i njihove grupne brzine već duže vreme intrigira naučnike. Na prvi pogled se čini kao da je Ajnštajnova teorija srušena, a opet, detaljne analize uvek su pokazale da teorija i te kako vredi. I kako to sada objasniti?”

Šta je to grupna brzina?

Grupna brzina svetlosti opisuje ritmički uspon i pad svetlosnih talasnih paketa, a ta brzina „talasa u talasima” može se povećavati ili smanjivati zavisno od elektromagnetskog okruženja koje će uticati na njih. Ova brzina, može biti veća ili manja od brzine svetlosti, a ona utiče na to kako se oblik setlosnog impulsa širi i izobličuje dok se kreće kroz materijal. Pokušajte zamisliti snop svetlosti koji se proteže od Zemlje do Meseca. Fotoni u tom snopu neće se kretati brže od svetlosti, no talas unutar tog talasa može.

Fizičari se već neko vreme igraju s ograničenjem brzine kretanja svetlosnih talasnih paketa u različitim materijalima, kao što su hladni atomski gasovi, refraktivni kristali i optička vlakna. U časopisu Nature 2002. godine naučnici iz NEC Research Institute u Prinstonu objavili su da su talasne pakete svetlosti u gasu cezijumu ubrzali na brzinu koja je bila čak 300 puta veća od brzine svetlosti! Štaviše, pokazalo se da su ti talasni paketi virtuelno izašli iz određene sredine pre nego što su ušli u nju.

U eksperimentu su merili vreme potrebno talasnom paketu svetlosti da prođe kroz 6 santimetara dugačku posebno pripremljenu komoru ispunjenu metalom cezijumom u gasovitom stanju. Pulsu svetlosti od 3 mikrosekunde obično bi trebalo samo 0,2 nanosekunde da prođe kroz komoru u vakuumu. No kada je prošla kroz posebno pripremljenu komoru, svetlost se pojavila 62 nanosekunde pre nego što je prošla kroz komoru u vakuumu. Ova neobična pojava rezultat je anomalne disperzije”, učinka koji se vidi samo za neke frekventne pojase zavisno od materijala, a u ovom ga eksperimentu stvara neprirodno toplotno stanje gasa cezijuma koji se koristi u komori.


Dark Side of the Moon
()Wikipedia)

Talasni paket svetlosti sastoji se od mnogih komponenata, od kojih svaka ima drugačiju talasnu dužinu. To se može videti kada sunčeva svetlost prolazi kroz prizmu i rastavlja se na sastavne boje, kao na naslovnici albuma grupe Pink Flojd” Dark Side of the Moon. Međutim, kako tumači stranica Optics.org, anomalna disperzija deluje na talasne dužine komponenata svetlosti tako što ih modifikuje na neobičan način. Anomalna disperzija uzrokuje da one komponente koje u vakuumu imaju manju talasnu dužinu u komori imaju veću talasnu dužinu, i obratno, da komponente s većom talasnom dužinom u vakuumu imaju manju talasnu dužinu u komori. Za razliku od normalne disperzije, anomalna disperzija ima izvanredan učinak koji talasnom paketu omogućuje da se ponovo pojavi u udaljenoj tački napred uz njegov smer širenja i stvori tačan oblik svetlosnog impulsa koji je ušao u komoru.

Naš eksperiment pokazuje da je uvreženo tumačenje da se ništa ne može kretati brže od brzine svetlosti pogrešno. Međutim, Ajnštajnova teorija relativnosti i dalje ostaje jer je još ispravno reći da se informacije ne mogu prenositi brže od brzine svetlosti u vakuumu”, rekao je dr Lijun Vang, jedan od autora studije iz 2002.Nastavićemo da proučavamo prirodu svetlosti i nadamo se da će nam to dati bolji uvid u prirodni svet i dodatno podstaći novo razmišljanje za mirnodopsku primjenu koje će koristiti čovječanstvu.

Zbunjeni naučnici

Ovi eksperimenti uzrokovali su određenu zbunjenost. Naime, prema Ajnštajnovoj teoriji relativnosti, kada bi nešto nadmašilo brzinu svetlosti, to bi omogućilo da se neki događaj dogodi pre događaja koji ga je prouzrokovao. Primerice, mogli biste pročitati ove reči pre nego što su napisane. Ipak, u to vreme većina fizičara nije se previše bojala za relativnost ili uzročnost. Uglavnom su se svi slagali da je u celoj priči jedino stvarno važno koliko brzo se prenosi energija i koliko se brzo mogu poslati informacije. Pritom se pod informacijama podrazumeva bilo koji signal koji može uticati na neki objekt ili sistem, primerice svetlosni impuls koji može pokrenuti neki uređaj.

Istraživači su tvrdili da čak i ako je deo talasnog paketa na prednjoj ivici talasa putovao brže od brzine svetlosti, celoviti puls ne bi mogao imati nikakav učinak, on ne bi mogao preneti nikakve informacije sve dok veći deo talasnog paketa ne bi stigao nešto kasnije.

Brzina impulsa je veća

No koja je tačno brzina informacija (vi) u takvom impulsu? Fizičari su pokušali pronaći odgovor. Neki su tvrdili da se brzina informacija treba poistovetiti s grupnom brzinom, tako da ona može premašiti brzinu svetlosti, čime se krši uzročnost. Većina je, pak, smatrala da brzina informacija u svim situacijama mora biti manja ili jednaka brzini svetlosti. U studiji, koju su 2003. Danijel Gotje sa Univerziteta Djuk u Daramu u Severnoj Karolini i kolege objavili u časopisu Nature, istraživači su posmatrali koliko brzo informacije mogu proći kroz neku sredinu u kojoj grupna brzina talasnog paketa znatno premašuje brzinu svetlosti.

Pomenuti tim je istakao da prenos podataka nije samo slanje signala. Signal mora biti kodiran na jednom kraju, a očitan na drugom. Da bi preneo informacije, signal se mora promeniti – na primjer, svetlost u nekom trenutku mora postati snažnija. Maksimalna brzina prenosa podataka pritom odgovara najranijem vremenu u kojem se ta tačka promene može zabeležiti. Otkrivanje informacije traje neko konačno vreme, primjerice zavisno od oblika pulsa i količine pozadinskog šuma. Detektor mora razlikovati promene koje predstavljaju informacije od onih koje su posledica slučajnih kolebanja u signalu, poput radiostatike.

Dotični naučnici su otkrili da je potrebno duže vreme da se detektuju informacije kodirane u impulsu koji putuje kroz gas kalijumovih atoma nego informacijama u talasnom paketu koje putuju kroz vakuum brzinom svetlosti. Čak i kada je grupna brzina talasnog paketa daleko nadmašivala brzinu svetlosti, brzina informacija nikada nije prelazila brzinu svetlosti. Moglo bi se reći da je puls stizao pre, no da je trebalo duže da objavi svoj dolazak.

Novo istraživanje

U novoj studiji, objavljenoj u časopisu Physical Review Letters istraživači iz Nacionalnr laboratorije Lorens Livermor u Kaliforniji i Univerziteta Ročester u Njujorku uspeli su postići da svjetlosni impulsi putuju različitim brzinama koje su se kretale od jedne desetine uobičajene brzine svetlosti do 30 posto veće od brzine svetlosti u vakuumu. U svojoj demonstraciji Kleman Gojon i kolege prvo su stvorili vodonik-helijumovu plazmu, jonizujući mlaz gasa polarizovanim laserskim zrakom. Zatim su usmerili drugi laserski zrak u plazmu. Tamo gde su se putevi dva zraka ulrštali, vodoravna komponenta drugog laserskog impulsa usporila je zbog promene indeksa loma plazme. Ovo usporavanje proizašlo je iz interakcija između dva lasera i plazme.

Mereći vremensko kašnjenje između vodoravne i okomite komponente drugog laserskog impulsa, tim je primetio da su one imale različite brzine. Naučnici su otkrili da grupnu brzinu talasnih paketa svetlosti u plazmi mogu usporavati i ubrzavati ugađajući razliku u frekvencijama između dvaju snopova. Ovo je dobra vest za napredne tehnologije, osobito moćnih lasera. Koristeći struje plazme za izmenu odlika svetlosti, naučnici bi mogli sprečiti da se čvrsti optički materijali nekih lasera oštete na višim energijama.

(Ixvor Indeks)

O autoru

Stanko

1 komentar

  • Ajnštanova teorija relativnosti je samo jedna u nizu teorija koje funkcionišu i nastaviće da funkcionišu bez obzira na novu koja govori da brzina svetlosti nije najveća brzina kretanja u univerzumu.Njutnova teorija gravitacije se i danas koristi bez obzira što je Ajnštanova pokazala boljom.Brzina svetlosti je maksimalna brzina za elektromagnetno zračenje kao i materijalno kretanje kroz prostor vreme.Ipak postoje zračenja koja ne podležu ovim pravilima pa se informacija može poslati brže od svetlosti-željenom brzinom određena jedino tehničkim mogućnostima ili sporije .Njutnova teorija nam pokazuje da se veliki broj raznorodnih kretanja nebeskih tela može savršeno opisati ,bez obzira što sama teorija nema koncept promene prostor vremena već naprotiv smatra ga konstantnim i rigidnim.Ajnštanova specijalna i genaralna teorija proširuje vidik i barata deformisanim prostor vremanom pri tome dokazujući da je brzina svetlosti maksimalna brzina u univerzumu ali za elektromagnetne i materijalne čestice.Sledeća teorija objašnjava fundamentalne stvari poput nastanka i održivosti materije,povezanosti svih prostorno vremenskih instanci,svesti,perpetumobilnosti univerzuma,itd,itd.Međutim ovo zadnje se ne prihvata i vrlo teško će se prihvatiti jer je inercija sadašnjeg načina razmišljanja toliki da podseća na grudvu puštenu sa planine.Što se više udaljava od vrha to je grudva veća i brža kao i energija.Protiv takvog načina razmišljanja nemoguće se boriti već treba vreme dok se sama ne raspadne-dezintegriše.Tek onda kada padnu određene dogme sve će biti jasnije.

Ostavite komentar