Mokslo ir technologijų pasaulis

Kai Albertas Einsteinas pirmą kartą pasiūlė idėją, kad šviesa vienodu greičiu sklinda visoje Visatoje, jis nustatė limitą – 299 792 kilometrai per sekundę. Tai pakankamas greitis, kad šviesa Žemės rutulį per sekundę apskrietų aštuonis kartus. Tačiau tai dar ne viska istorija, rašo businessinsider.com.

Prieš A.Einsteiną masė – Visatą sudarantys atomai – ir energija buvo laikyti atskirais elementais. Tačiau 1905 m. mokslininkas visam laikui pakeitė mūsų supratimą apie Visatą.

A.Einsteino specialioji reliatyvumo teorija visam laikui surišo masę ir energiją, o jo atradimą nusako paprasta formulė – e=mc².

Ši trumpa formulė leidžia spėti, kad joks masę turintis objektas negali judėti taip greitai, kaip šviesa arba greičiau. Arčiausiai šviesos ribos žmonija priartėjo sukūrusi Didįjį hadronų greitintuvą ir Tevatroną. Šiose milžiniškose mašinose subatominės dalelės pasiekia 99,99 proc. šviesos greičio, tačiau kosminės greičio ribos jos neviršys niekuomet.

Tam reikėtų milžiniško energijos kiekio ir šio proceso metu objekto masė taptų begalinė, o tai yra neįmanoma (šviesą sudarančios dalelės – fotonai, gali keliauti šviesos greičiu todėl, kad jie neturi masės).

Po A.Einsteino fizikai atrado tam tikrus reiškinius, kurių metu viršijamas šviesos greitis ir laužomos specialiosios reliatyvumo teorijos numatytos taisyklės. Jos neįrodo, kad A.Einsteinas yra neteisus, tačiau leidžia pažiūrėti į specifines šviesos savybes ir kvantinį pasaulį.

Garso bangos ekvivalentas šviesai

Kai objektai keliauja greičiau už garsą, jie generuoja garsinį zvimbesį (sonic boom). Taigi teoriškai, jei kažkas juda greičiau nei šviesa, turėtų sukurti „šviesinį zvimbesį“.

Šis šviesos zvimbesys įvyksta kasdien įvairiose pasaulio gamyklose ir žmonės tai mato savo akimis. Jis vadinamas Čerenkovo spidnuliuote ir pasirodo tarsi mėlynas švytėjimas branduoliniuose reaktoriuose.

Čerenkovo spinduliuotė pavadinta sovietų mokslininko Pavelo Aleksejevičiaus Čerenkovo vardu, kuris ją pirmą kartą išmatavo 1934-aisiais ir vėliau už darbą buvo apdovanotas fizikos Nobelio premija.

Čerenkovo spinduliuotė švyti todėl, kad reaktoriaus (Advanced Test Reactor) branduolys yra įdėtas į vandenį (jog būtų atvėsintas). Vandenyje šviesa pasiekia 75 proc. greičio vakuume, o dėl reakcijos branduolyje atsiradę elektronai vandenyje juda greičiau už šviesą.

Dalelės kaip elektronai, kurie viršija šviesos greitį vandenyje, ar tam tikroje tarpinėje būsenoje kaip dujos, sukuria bangas, panašias į smūgines garso bangas.

Kai raketa juda oru, jos priekyje susidaro spaudimo bangos, kurios nuo raketos tolsta garso greičiu, o kuo artimesnį greitį garso greičiui pasiekia raketa, tuo mažiau laiko bangos turi pasitraukti nuo objekto kelio.

Kai raketa pasiekia garso greitį, nuo jos bangos atsimuša sukurdamos smūgį, kuris suformuoja garsinį dūzgesį.

Panašiai kai elektronai juda vandeniu greičiau už šviesą, jie generuoja smūgines bangas, kurios kartais šviečia mėlynai arba ultravioletiniais spinduliais.

Nors elektronai vandenyje gali judėti greičiau už šviesą, jų greitis neviršija šviesos greičio vakuume.

Kai taisyklės neveikia

A.Einsteino specialiojoje reliatyvumo teorijoje teigiama, kad Visatoje joks masę turintis objektas negali judėti greičiau už šviesą ir Visata šiam dėsniui paklūsta. O kaip dėl objektų, kurie neturi masės?

Fotonai iš prigimties negali viršyti šviesos greičio, tačiau tai nėra vienintelės masės neturinčios dalelės.

Tuščia erdvė neturi medžiagos, todėl neturi masės. „Kadangi niekas yra tik tuščia vieta arba vakuumas, jis gali plėstis greičiau už šviesą, nes nėra materialių objektų, kurie laužytų šviesos barjerą, – sako astrofizikas teoretikas Michio Kaku. – Todėl tuščia erdvė gali plėstis greičiau už šviesą.“

Fizikai mano, kad būtent tai ir įvyko iškart po Didžiojo sprogimo per procesą, vadinamą infliacija, kurį pirmą kartą numatė fizikai Alanas Guthas ir Andrejus Linde‘as. Per trilijonąją trilijonosios sekundės dalį Visata padvigubėjo, todėl jos pakraščiai plėtėsi labai greitai – kur kas greičiau nei juda šviesa.

Kvantinis susietumas

„Kvantinė teorija teigia, kad jeigu vienas šalia kito yra du elektronai, jei gali vibruoti unisonu“, – aiškino M.Kaku. Atskyrus šiuos elektronus, kurie vienas nuo kito atsidurtų per tūkstančius šviesmečių, komunikacijos tiltas tarp jų vis dar būtų atviras.

„Jeigu aš pajudinsiu vieną elektroną, kitas elektronas akimirksniu „pajus“ šias vibracijas greičiau už šviesą“, – kalbėjo astrofizikas,

1935-aisiais A.Einsteinas, Borisas Podolsky’is ir Nathanas Rosenas mėgino paneigti kvantinę teoriją ir atliko eksperimentą, kurį vadino „keistu veiksmu per atstumą“.

Ironiška, tačiau jų tyrimas padėjo pamatus tam, kas vadinama Einsteinio-Podolsky‘o – Roseno – EPR paradosku, kuris nusako šias momentines sąveikas. Jos tapo naujausių šių dienų technologijų, kaip kvantinė kriptografija, pamatu.

Kirmgraužos

Kadangi joks masę turintis objektas negali judėti greičiau už šviesą, galime atsisveikinti su tarpgalaktinėmis kelionėmis – bent jau jas suvokiant klasikinių kelionių erdvėlaiviais būdu.

Nors A.Einsteino specialioji reliatyvumo teorija ir sutrypė svajones pasiekti kitas galaktikas, 1915 m. bendroji reliatyvumo teorija suteikė naują viltį. Specialiąją reliatyvumo teoriją jungė masė ir energija, o bendrąją – erdvė ir laikas (erdvėlaikis).

Taigi vienintelis būdas viršyti šviesos barjerą būtų išlenkiant erdvėlaikį ir sukuriant kirmgraužas.  Jos teoriškai leistų per labai trumpą laiką įveikti milžiniškus atstumus.

1998 m. fizikos teoretikas Kipas Thornas, kuris buvo ir filmo „Tarp žvaigždžių“ vykdantysis prodiuseris, panaudojo A.Einsteino reliatyvumo teorijos skaičiavimus, kad nuspėtų galimą kirmgraužų Visatoje egzistavimą. Tačiau kirmgraužoms reikėtų keistų ir egzotinių medžiagų, kurios jas nuolat laikytų atviromis.

Šios egzotiškos medžiagos labai mažais kiekiais buvo sukurtos ir pasaulio laboratorijose. Kai K.Thornas pasiūlė stabilių kirmgraužų teoriją, jis kreipėsi į fizikų bendruomenę, kad ši padėtų nusakyti, ar Visatoje gali egzistuoti pakankamai egzotiškos medžiagos, kuri palaikytų atvirų kirmgraužų teoriją.

„Tai iššaukė labai daug fizikų tyrimų, tačiau šiandieną, praėjus beveik 30 metų, atsakymas yra nežinomas. Ir kol kas paieškos neatrodo gerai. Tačiau mes vis dar ieškome galutinio atsakymo“, – sakė K.Thornas.