МОЖЕ БРЖЕ ОД СВЕТЛОСТИ

Брзина светлости (c) у вакууму је око 300.000 километара у секунди и према законима природе какве познајемо ниједно тело (материја), енергија или информација не може путовати брже од ње – она се сматра чврстом границом за пренос свих података у свемиру.

Подаци које сателити шаљу на Земљу са својих мисија путују брзином светлости, будући да сателити информацију шаљу у виду електромагнетских таласа, а светлост је део електромагнетског спектра. Ако нам долазе с Месеца који је удаљен око 300.000 километара од Земље, стићи ће за једну секунду. Уколико долазе са Сатурновог месеца Титана, биће им потребно око 71 минут када нам је Титан најближи, а око 88 када је најдаљи.

Брзина светлости зависи од тога кроз какву се средину креће. Примерице, кроз стакло се креће спорије него кроз ваздух, зато видимо како се зрак светла у стаклу ломи. Та природа светлости омогућила је стварање оптичких лећа. Ограничење брзине путовања брзином светлости вероватно никада неће бити премашено, осим ако не нађемо начин да га некако заобиђемо. На пример, да путујемо кроз црвоточине у простор-времену или да стварамо мехуре простор-времена који ће путовати у простор-времену.

Наиме, ограничење које вреди за кретање светлости кроз простор-вријеме не вреди за кретање самих диелова простор-времена. Због тога се неки далеки делови свемира у његовој експанзији од нас могу удаљавати брзинама већим од брзине светлости, а да закони Ајншатјнове релативности не буду прекршени. Заправо, највећи део свемира који видимо, преко 90%, већ је прешао границу иза које се од нас удаљава брзином већом од светлости. Упркос томе, ми те делове видимо јер је светлост из њих кренула пре много милиона година.

Зашто не може брже?

У популаризацији науке брзина светлости као граница најчешће се представља поједностављеним тумачењем повезаности простора и времена.

У теорији релативности простор и време нису два одвојена својства свемира како се то замишљало пре Ајнштајна; она су међусобно повезана и називају се простор-време. У том простор-времену, који се може приказати координатним системом у којем је једна координата простор, а друга време, све се увек креће неком истом „укупном” брзином. Примерице, ако стојимо на месту у смислу кретања кроз простор, кретаћемо се максималном брзином у времену. Обратно, ако се крећемо максималном брзином у простору, наша ће брзина у времену бити нула (слика горе). То је оно што каже теорија релативности – што се брже крећемо кроз простор, то спорије куцају наши сатови.

Проблем се појавио

Физичар проф. др Хрвоје Буљан с Физичког одсека ПМФ-а у Загребу каже да је за разумевање ове захтевне теме потребно пре свега разумети брзину светлости. „Ајнштајнова специјална теорија релативности из 1905. каже да енергија и материја не могу путовати брже од брзине светлости у вакууму”, каже Буљан. „Но, врло брзо након Ајнштајновог открића физичаре су забринула разматрања таласних пакета светлости, односно група таласа разних фреквенција. Наиме, њихову брзину описујемо групном брзином светлосних таласних пакета која у неким материјалима може бити и већа од брзине светлости, што је парадокс јер произлази из теорије класичне електродинамике из 19. века која је у складу с Ајнштајновом релативношћу.

Физичар Арнолд Зомерфелд показао је 1910. да фронт правоугаоног таласног пакета не може путовати брже од брзине светлости у вакууму, а Леон Бријуен је указао на недостатак концепта групне брзине када дисперзија светлости показује аномална својства. С ласерским технологијама постало је могуће стварати таласне пакете светлости разноразних комплексних облика. Развојем нових материјала и реализацијом стања материје, попут хладних атомских гасова или плазме, постало је могуће дизајнирати средине (медије) које успоравају или убрзавају светлост, односно групну брзину светлосних таласних пакета. Понашање таласних пакета светлости и њихове групне брзине већ дуже време интригира научнике. На први поглед се чини као да је Ајнштајнова теорија срушена, а опет, детаљне анализе увек су показале да теорија и те како вреди. И како то сада објаснити?”

Шта је то групна брзина?

Групна брзина светлости описује ритмички успон и пад светлосних таласних пакета, а та брзина „таласа у таласима” може се повећавати или смањивати зависно од електромагнетског окружења које ће утицати на њих. Ова брзина, може бити већа или мања од брзине светлости, а она утиче на то како се облик сетлосног импулса шири и изобличује док се креће кроз материјал. Покушајте замислити сноп светлости који се протеже од Земље до Месеца. Фотони у том снопу неће се кретати брже од светлости, но талас унутар тог таласа може.

Физичари се већ неко време играју с ограничењем брзине кретања светлосних таласних пакета у различитим материјалима, као што су хладни атомски гасови, рефрактивни кристали и оптичка влакна. У часопису Nature 2002. године научници из NEC Research Institute у Принстону објавили су да су таласне пакете светлости у гасу цезијуму убрзали на брзину која је била чак 300 пута већа од брзине светлости! Штавише, показало се да су ти таласни пакети виртуелно изашли из одређене средине пре него што су ушли у њу.

У експерименту су мерили време потребно таласном пакету светлости да прође кроз 6 сантиметара дугачку посебно припремљену комору испуњену металом цезијумом у гасовитом стању. Пулсу светлости од 3 микросекунде обично би требало само 0,2 наносекунде да прође кроз комору у вакууму. Но када је прошла кроз посебно припремљену комору, светлост се појавила 62 наносекунде пре него што је прошла кроз комору у вакууму. Ова необична појава резултат је „аномалне дисперзије”, учинка који се види само за неке фреквентне појасе зависно од материјала, а у овом га експерименту ствара неприродно топлотно стање гаса цезијума који се користи у комори.

Dark Side of the Moon ()Wikipedia)

Таласни пакет светлости састоји се од многих компонената, од којих свака има другачију таласну дужину. То се може видети када сунчева светлост пролази кроз призму и раставља се на саставне боје, као на насловници албума групе „Пинк Флојд” Dark Side of the Moon. Међутим, како тумачи страница Optics.org, аномална дисперзија делује на таласне дужине компонената светлости тако што их модификује на необичан начин. Аномална дисперзија узрокује да оне компоненте које у вакууму имају мању таласну дужину у комори имају већу таласну дужину, и обратно, да компоненте с већом таласном дужином у вакууму имају мању таласну дужину у комори. За разлику од нормалне дисперзије, аномална дисперзија има изванредан учинак који таласном пакету омогућује да се поново појави у удаљеној тачки напред уз његов смер ширења и створи тачан облик светлосног импулса који је ушао у комору.

„Наш експеримент показује да је уврежено тумачење да се ништа не може кретати брже од брзине светлости погрешно. Међутим, Ајнштајнова теорија релативности и даље остаје јер је још исправно рећи да се информације не могу преносити брже од брзине светлости у вакууму”, рекао је др Лијун Ванг, један од аутора студије из 2002. „Наставићемо да проучавамо природу светлости и надамо се да ће нам то дати бољи увид у природни свет и додатно подстаћи ново размишљање за мирнодопску примјену које ће користити човјечанству.”

Збуњени научници

Ови експерименти узроковали су одређену збуњеност. Наиме, према Ајнштајновој теорији релативности, када би нешто надмашило брзину светлости, то би омогућило да се неки догађај догоди пре догађаја који га је проузроковао. Примерице, могли бисте прочитати ове речи пре него што су написане. Ипак, у то време већина физичара није се превише бојала за релативност или узрочност. Углавном су се сви слагали да је у целој причи једино стварно важно колико брзо се преноси енергија и колико се брзо могу послати информације. Притом се под информацијама подразумева било који сигнал који може утицати на неки објект или систем, примерице светлосни импулс који може покренути неки уређај.

Истраживачи су тврдили да чак и ако је део таласног пакета на предњој ивици таласа путовао брже од брзине светлости, целовити пулс не би могао имати никакав учинак, он не би могао пренети никакве информације све док већи део таласног пакета не би стигао нешто касније.

Брзина импулса је већа

Но која је тачно брзина информација (vi) у таквом импулсу? Физичари су покушали пронаћи одговор. Неки су тврдили да се брзина информација треба поистоветити с групном брзином, тако да она може премашити брзину светлости, чиме се крши узрочност. Већина је, пак, сматрала да брзина информација у свим ситуацијама мора бити мања или једнака брзини светлости. У студији, коју су 2003. Данијел Готје са Универзитета Дјук у Дараму у Северној Kаролини и колеге објавили у часопису Nature, истраживачи су посматрали колико брзо информације могу проћи кроз неку средину у којој групна брзина таласног пакета знатно премашује брзину светлости.

Поменути тим је истакао да пренос података није само слање сигнала. Сигнал мора бити кодиран на једном крају, а очитан на другом. Да би пренео информације, сигнал се мора променити – на примјер, светлост у неком тренутку мора постати снажнија. Максимална брзина преноса података притом одговара најранијем времену у којем се та тачка промене може забележити. Откривање информације траје неко коначно време, примјерице зависно од облика пулса и количине позадинског шума. Детектор мора разликовати промене које представљају информације од оних које су последица случајних колебања у сигналу, попут радиостатике.

Дотични научници су открили да је потребно дуже време да се детектују информације кодиране у импулсу који путује кроз гас калијумових атома него информацијама у таласном пакету које путују кроз вакуум брзином светлости. Чак и када је групна брзина таласног пакета далеко надмашивала брзину светлости, брзина информација никада није прелазила брзину светлости. Могло би се рећи да је пулс стизао пре, но да је требало дуже да објави свој долазак.

Ново истраживање

У новој студији, објављеној у часопису Physical Review Letters истраживачи из Националнр лабораторије Лоренс Ливермор у Kалифорнији и Универзитета Рочестер у Њујорку успели су постићи да свјетлосни импулси путују различитим брзинама које су се кретале од једне десетине уобичајене брзине светлости до 30 посто веће од брзине светлости у вакууму. У својој демонстрацији Клеман Гојон и колеге прво су створили водоник-хелијумову плазму, јонизујући млаз гаса поларизованим ласерским зраком. Затим су усмерили други ласерски зрак у плазму. Тамо где су се путеви два зрака улрштали, водоравна компонента другог ласерског импулса успорила је због промене индекса лома плазме. Ово успоравање произашло је из интеракција између два ласера и плазме.

Мерећи временско кашњење између водоравне и окомите компоненте другог ласерског импулса, тим је приметио да су оне имале различите брзине. Научници су открили да групну брзину таласних пакета светлости у плазми могу успоравати и убрзавати угађајући разлику у фреквенцијама између двају снопова. Ово је добра вест за напредне технологије, особито моћних ласера. Kористећи струје плазме за измену одлика светлости, научници би могли спречити да се чврсти оптички материјали неких ласера оштете на вишим енергијама.

(Иxвор Индекс)