OMG viršytas šviesos greitis!

Delfis ir alfa technologijų.lt pagalba atrado pulsarą, skleidžiantį greitesnes už šviesą radijo bangas. Žodžiu, šlovė Snukiui ir kitiems Einšteino nemėgėjams, reliatyvumo teorija pagaliau visiškai paneigta ir šiaip reikia perrašyti fizikos vadovėlius. Sveikinu.

Na gerai, o dabar rimtai. Kas čia per nesąmonė ir kaip taip gali būti? Na, visų pirma tai turbūt aišku, jog reliatyvumo teorijos niekur pažeistos nebuvo – taip nebent tik pasirodė. Pats straipsnis, kurį nurodo technologijos.lt, yra pavadintas „Apparent faster-than-light pulse propagation <…>“. Žodžiu „regimasis“ virššviesinis greitis, o ne tikrai virššviesinis greitis. Pabandysiu labai glaustai ir apytikriai paaiškinti kelis būdus, kaip toks regimasis šviesos greičio viršijimas gali atsirasti.

Ar kada nors esate bandę pasiimti gana ilgą virvės gabalą ir jį „pavizginti“, t.y. pajudinti tai į vieną šoną, tai į kitą, kad virvė pradėtų „banguoti“? Manau, kad esate. Ir tas bangas sudaryti buvo ne taip ir sunku. Ir tos bangos judėjo virve pirmyn-atgal, nors pati virvė ir nejudėjo. Tai va žinokit, kad jei virvę vingiuotumėte labai labai greitai ir tinkama amplitude, tai tos bangos virve pirmyn-atgal galėtų judėti greičiau už šviesą.

Na gerai, šiek tiek apgaudinėju. Virve tokio dalyko pasiekti nepavyks, nes taip greitai „vizginama“ virvė greičiausiai suplyš arba užsidegs, arba dar kas nors keisto pasidarys. Galų gale žmogus nesugebėtų pasiekti tokių greičių (nežinau, kokie jie tiksliai turėtų būti, bet tikrai gana dideli). Kodėl taip yra? Ogi todėl, kad bangos, judėdamos virve pirmyn-atgal, neperneša jokios informacijos. Informacija yra perduodama virvės dalelėms judant aukštyn-žemyn ir tampant gretimas daleles. To informacijos nepernešančio judėjimo greitis, vadinamas faziniu bangos greičiu, nėra ribojamas šviesos greičio. Šis greitis toli gražu ne visada lygus bangą sudarančių dalelių judėjimo greičiui ta pačia kryptimi – grupiniam greičiui. Štai šiuo aprašytu virvės atveju, fazinis greitis gali būti gana didelis, o grupinis greitis bus nulinis (virvę juk laikote rankoje, ji tolyn nuo jūsų nepabėga). Trečias čia paminėtas greitis – skersinis virvės dalelių judėjimo greitis – irgi gali skirtis nuo pirmų dviejų, bet yra svarbus tik tada, kai banga susidaro būtent dėl realaus kokių nors dalelių ar objektų judėjimo skersai bangos sklidimo krypčiai. Beje, labai panašus į virvę efektas yra bangų mūša. Bangų keteros juda žymiai greičiau nei vanduo slūgsta aukštyn arba žemyn pakrante. Čia turiu omeny visą jūros ar ežero vandens masę, o ne tas bangų liekanas, kurios atsitrenkia į krantą ir šiek tiek juo pakyla.

Taigi, fazinis bangos greitis gali viršyti šviesos greitį. Šitoks reiškinys yra dažnai aptinkamas tyrinėjant plazmas (labai įkaitintas dujas, kuriose atomai suskilę į branduolius ir elektronus). Plazmoje sukelta elektronų banga neretai juda, atrodytų, greičiau už šviesą, nors patys elektronai beveik nepajuda iš savo vietų – būtent taip pat, kaip aprašiau ir aukščiau.

Bet šįkart regimasis virššviesinis greitis atsiranda ne dėl to. Čia būtent regimasis grupinis atsklindančių bangų greitis yra didesnis, nei šviesos. Kad tą suprastume, reikia suvokti, kaip galima apskaičiuoti ateinančių bangų greitį. Paprasčiausias būdas tą padaryti yra atsiminti, jog bangos judėjimo greitis yra lygus jos ilgiui, padaugintam iš dažnio. Taigi užfiksuojame kažkokias bangas, nustatome jų energiją (nežinau, kaip tą daro šiais laikais, bet vienas iš įmanomų variantų būtų fotoefektas), iš energijos sužinome dažnį (kuo didesnis dažnis – tuo didesnė energija). Taip pat tas pačias bangas praleidžiame per ploną plyšelį arba difrakcinę gardelę (toks protingas prietaisas, paprastai tiesiog stiklinė plokštelė, suraižyta labai plonomis ir vienodais tarpais išdėliotomis linijomis) ir nustatome jų bangos ilgį. Sudauginame gautus dydžius ir tikimės gauti rezultatą, lygų beveik 300 tūkstančių kilometrų per sekundę. Kai tokio rezultato negauname, pradedame panikuoti. Arba tiesiog šiek tiek pamąstome, kas galėjo atsitikti, kad gavome neįtikėtiną rezultatą.

Viena galima, gana akivaizdi, problema yra paklaidos. Galbūt tiesiog kažką neteisingai išmatavome? Bet mokslininkai apie paklaidas nusimano, taigi toks variantas atkrenta. Kitas paaiškinimas yra daugmaž toks. Tai, ką mes stebime, yra ne pavienė konkretaus tiksliai apibrėžto dažnio banga, bet kažkoks spektras. O spektras yra sudarytas iš daugybės įvairaus dažnio bangų superpozicijos. Na o kitas gerai žinomas dalykas apie bangas ir jų sąveiką su materija yra tas, kad šviesos lūžio rodiklis kiekvienoje medžiagoje priklauso ne tik nuo tos medžiagos savybių, bet ir nuo šviesos bangos dažnio. Beveik visose medžiagose didesnės energijos (t.y. aukštesnio dažnio) bangos lūžta smarkiau ir juda lėčiau. Na o aukščiau minėtas grupinis bangų greitis priklauso nuo to, kaip lūžio rodiklis kinta su dažniu. Jei, dažniui didėjant, lūžio rodiklis mažėtų, grupinis greitis taptų didesnis už šviesos greitį vakuume. Bet tai juk nebus, ar ne?

Pasirodo, bus. Viena išimtis iš lūžio rodiklio priklausomybės nuo dažnio taisyklės – jei bangos dažnis yra labai artimas kažkokiam medžiagos rezonansui, sąryšis gali smarkiai pasikeisti. „Medžiagos rezonansas“ šiuo atveju reiškia tai, kad tokio dažnio šviesos bangas medžiaga ne tik iškreipia ir sulėtina, bet ir labai gerai sugeria. Tad truputį žemesnio dažnio bangas tokia medžiaga iškreipinės smarkiai – jos „beveik“ susigers, bet ne visai; o truputį didesnio dažnio bangos kaip tik pralėks nesugeriamos, taigi bus iškreiptos mažiau, nei vidutiniškai. Vadinasi, ties rezonansiniu dažniu šviesos lūžio rodiklis mažės, didėjant bangos dažniui. Labai nedidelio dažnių intervalo bangos šiek tiek pagreitės ir stebėtojas jas pamatys truputį anksčiau, negu likusias. Daugeliu atvejų šis laiko skirtumas bus beveik nepastebimas, bet jei yra stebimas konkrečiai šitas dažnių intervalas, efektas bus akivaizdus ir tuo stipresnis, kuo geriau medžiaga sugeria to dažnio šviesą. Na o vandenilis 1.4 gigaherco dažnio radijo bangas sugeria LABAI gerai.

Toks reiškinys yra vadinamas anomaliąja dispersija (paprastoji dispersija yra būtent tokia, kai lūžio rodiklis didėja kartu su dažniu). Jis buvo stebėtas laboratorijose, o dabar pirmą sykį pamatytas stebint dangų. Žodžiu tai nėra kažkas tokio, kas pakeistų visą mūsų fizikos supratimą, kaip kad žurnalistai bandė pavaizduoti. Bet kaip tai dera su reliatyvumo teorija ir ankstesniu teiginiu, kad informacija negali būti perduodama greičiau už šviesą? Vienas paaiškinimas būtų toks: taip pagreitinama šviesa ima sklisti tik greičiau už „standartinį“ greitį toje medžiagoje, bet ne už greitį vakuume, taigi jokios problemos nėra. Kitas, teisingesnis ir bendresnis, paaiškinimas yra toks: kai bangų grupės yra šitaip greitinamos, patys fotonai vis tiek nepagreitėja. Bangų grupė, judėdama greičiau už šviesą, „nusineša“ tolimesnius fotonus ir taip vėlgi neperneša papildomos informacijos.

Taigi galų gale reliatyvumo teorija išgelbėta ir mes vėl galime saugiai melstis prie Einšteino altorėlių :) O jei rimtai – atradimas greičiausiai bus vertingas: bent jau jo autorių nuomone, šitokio efekto stebėjimas gali leisti aptikti daugiau vandenilio debesų mūsų Galaktikoje ir tiksliau nustatyti jų formas. Fizika žengia į priekį, ji nesivarto pakelėse nuo kiekvieno bakstelėjimo.

Laiqualasse

3 komentarai

  1. „Kitas, teisingesnis ir bendresnis, paaiškinimas yra toks: kai bangų grupės yra šitaip greitinamos, patys fotonai vis tiek nepagreitėja. Bangų grupė, judėdama greičiau už šviesą, „nusineša“ tolimesnius fotonus ir taip vėlgi neperneša papildomos informacijos.“

    O jeigu juda tik vienas fotonas?

    1. Geras klausimas. Man atrodo, kad ir tokiu atveju galima kalbėti apie banginį judėjimą, nes ir pavienis fotonas turi visas reikalingas bangines savybes. Bet galiu ir klysti, čia jau reikėtų kvantine fizika pasidomėti.

Leave a Reply

El. pašto adresas nebus skelbiamas. Būtini laukeliai pažymėti *