2011-ųjų rugsėjį fizikas Antonio Ereditato šokiravo pasaulį. Jo vadovaujamos 160 mokslininkų grupės OPERA projekto duomenys žadėjo visiškai pakeisti mūsų supratimą apie Visatą. Duomenys rodė, kad dalelės – neutrinai, judėjo greičiau už šviesą.
2011-ųjų rugsėjį fizikas Antonio Ereditato šokiravo pasaulį. Jo vadovaujamos 160 mokslininkų grupės OPERA projekto duomenys žadėjo visiškai pakeisti mūsų supratimą apie Visatą. Duomenys rodė, kad dalelės – neutrinai, judėjo greičiau už šviesą, rašo BBC.
Remiantis Alberto Einsteino reliatyvumo teorija, to būti negali. Nors A. Ereditado teigė, kad jo tyrimų rezultatai yra labai patikimi, jų 100 proc. tiksliais nepavadino ir kitų mokslininkų paprašė padėti išsiaiškinti, kodėl iškilo toks nesusipratimas.
Galiausiai pasirodė, kad OPERA rezultatai buvo klaidingi. Dėl to kaltas prastas palydovo ryšys, kuriuo turėjo būti perduodami tikslūs duomenys iš GPS palydovų. Dėl 73 nanosekundėmis atidėto signalo mokslininkai pamanė, kad neutrinai judėjo greičiau už šviesą.
A. Ereditato atsistatydino, nors daugelis tyrėjų tuomet atkreipė dėmesį, kad tokios klaidos mokslo pasaulyje neišvengiamos.
Kodėl tai, kad kažkas galimai keliavo greičiau už šviesą, buvo taip svarbu, ir ar mokslininkai yra tikri, kad niekas šviesos greičio viršyti negali?
Šviesos greitis vakuume siekia 299 792 458 metrų per sekundę. Saulė nuo mūsų nutolusi per 150 mln. km, tad šviesos spindulys mus pasiekia vos per 8 min. 20 sekundžių.
Ar gali koks nors žmonių sukurtas įrenginys bent šiek tiek priartėti prie tokio greičio? Vienas greičiausiai judančių žmonių sukurtų objektų, zondas „New Horzions“, sugebėjo pasiekti tik 16 km/s greitį.
Tačiau mokslininkai atrado daleles, kurios juda kur kas greičiau. Šeštajame dešimtmetyje Williamas Bertozzis iš Masačusetso technologijų instituto eksperimentavo su elektronais, ir juos palaipsniui vis labiau „įgreitindavo“.
Kadangi elektronai turi neigiamą krūvį, juos galima išjudinti, arba nustumti, medžiagoje panaudojus tokį pat neigiamą krūvį. Kuo daugiau energijos, tuo didesnį greitį pasiekia elektronai.
Gali pasirodyti, kad tereikia padidinti energiją, ir elektronai galiausiai ims judėti greičiau už šviesą, tačiau W. Bertozzi eksperimentai parodė, kad didesnis energijos kiekis nereiškė proporcingo elektronų judėjimo greičio.
Kuo toliau, tuo daugiau energijos reikėjo, kad būtų pasiektas minimalus elektronų pagreitėjimas. Jie vis artėjo ir artėjo prie šviesos greičio, bet jo niekada nepasiekė.
Bet šviesą sudaro dalelės – fotonai. Kodėl jie gali judėti šviesos greičiu, o kitos dalelės, kaip elekronai, ne?
„Kuo greičiau juda objektai, tuo sunkesni jie tampa, ir kuo jie sunkesni, tuo sunkiau padidinti greitį. Todėl jie niekada negali pasiekti šviesos greičio, – sako Rogeris Rasoolas, fizikas iš Melburno universiteto Australijoje. – O fotonai masės neturi. Jei turėtų, negalėtų judėti šviesos greičiu.“
Fotonai yra gana ypatingi. Jie ne tik neturi masės, bet ir dėl natūralios jų energijos ir bangos – dalelės dualumo greičio maksimumą pasiekia akimirksniu.
Kad būtų aiškiau, kai kuriais atvejais apie šviesą geriau galvoti kaip apie energiją, o ne dalelių srautą.
Vis dėlto kartais šviesa juda lėčiau, nei tikėtumėmės. Nors interneto technikai mėgsta kalbėti apie „šviesos greičiu“ per optinius kabelius sklindančias signalus, jais šviesa juda 40 proc. lėčiau nei vakuume.
Realybėje fotonai vis tiek juda 300 tūkst. km/s greičiu, tačiau jie susiduria su savotiška interferencija, kurią sukelia kiti fotonai, išleidžiami iš optinio kabelio stiklo atomų, kai pro juos juda pagrindinė šviesos banga.
Alberto Einsteino reliatyvumo teorijoje šviesos greitis aprašomas kaip konstanta. Nesvarbu kur būtumėte ar kaip greitai judėtumėte, šviesa keliauja vienodu greičiu. Tačiau tai sukelia keletą konceptualių problemų.
Įsivaizduokite, kad šviesa juda iš prožektoriaus į nejudančio erdvėlaivio lubas, ant kurių įmontuotas veidrodis. Šviesa sklistų į viršų, atsispindėtų nuo veidrodžio ir nusileistų ant erdvėlaivio grindų. Tarkime, jos nukeliautas atstumas lygus 10 metrų.
O dabar įsivaizduokite, kad tas pats erdvėlaivis ima judėti šimtų tūkstančių kilometrų per sekundę greičiu.
Kai šviesa iš prožektoriaus pasklis judančiame erdvėlaivyje, atrodys, kad ji juda taip pat, kaip ir anksčiau – pirmiausiai pasieks veidrodį ir nuo jo atsimuš į grindis. Tačiau kad tai įvytų, šviesa turės judėti įstrižai, o ne vertikaliai, nes ir veidrodis judės kartu su erdvėlaiviu.
Taigi šviesos nukeliaujamas atstumas padidėja, tarkime 5 metrais, todėl šviesa sklinda nebe 10 m, o 15 metrų. Nepaisant to, A. Einsteino teorijose teigiama, kad šviesa vis tiek juda tokiu pat greičiu. Kadangi greitis lygus atstumui padalintam iš laiko, tam, kad greitis būtų toks pats, o atstumas – didesnis, turi padidėti ir laikas.
Taigi minėtame pavyzdyje laikas turėtų „išsitempti“. Tai skamba labai keistai, bet laiko išsitempimo teorija teorija patvirtinta eksperimentiškai ir ja mokslininkai neabejoja.
Ji lemia, kad greitai judantiems žmonėms laikas slenka lėčiau, nei nejudantiems.
Pavyzdžiui, Tarptautinėje kosminėje stotyje, kuri Žemės atžvilgiu juda 7,66 km/s, esantiems astronautams laikas slenka 0,007 sekundės lėčiau, nei esantiems Žemėje. Tai reiškia, kad visą gyvenimą TKS praleidęs astronautas būtų vidutiniškai 0,007 s jaunesnis už kitus.
Dalelėms, kaip elektronai, kurios gali judėti artimais šviesai greičiais, laiko išsitęsimas gali būti labi didelis.
Stevenas Koltammeris, eksperimentinis fizikas iš Oksfordo universiteto, pateikia miuonų pavyzdį.
Miuonai yra nestabilūs: jie greitai skyla į mažesnes daleles. Skilimas toks greitas, kad dauguma iš Saulės išspinduliuotų miuonų turi suirti iki to laiko, kol pasiekia Žemę. Tačiau realybėje daug miuonų iš Saulės Žemę pasiekia. Ilgą laiką mokslininkai nesuprato šito reiškinio priežasčių.
„Atsakymas į šį klausimą – miuonai generuojami su labai dideliu energijos kiekiu, taigi jie juda beveik šviesos greičiu, – sakė S. Koltammeris. – Taigi jų „laiko suvokimas“, jų vidinis laikrodis, teka lėtai.“
Miuonai mūsų atžvilgiu buvo „gyvybingi“ ilgiau, nei manyta, dėl natūralaus laiko išsitempimo.
Kai objektai juda greičiau kitų objektų atžvilgiu, jų ilgis taip pat susitraukia.
Tačiau šviesos dalelių tai nepaveikia, nes jos neturi masės. Taigi jei kas nors judėtų greičiau už šviesą, tai paneigtų mums žinomus fundamentalius Visatos veikimo dėsnius.
