Kaip aplenkti šviesą? I dalis

Jau kokį mėnesį nieko čia nerašiau, išskyrus Kąsnelius. Laikas pakeisti situaciją, ir tą padaryti rimtai. Taigi, štai jums rašinys (pirmas iš turbūt trijų) apie tai, kokie dalykai juda greičiau už šviesą.

„Kaip kaip?“ galbūt paklausite. Juk už šviesą judėti greičiau negali niekas! Šį teiginį iš vidurinės mokyklos atsineša turbūt visi, net ir visiški humanitarai, nuo fizikos pabėgę, kai tik tam buvo suteikta teisė, ir niekados neatsigręžę. Šviesos greitis – tai fundamentalus greičio limitas, kurio viršyti tiesiog neįmanoma, ir viskas. O jei viršiji, tai arba kažkur suklydai, arba „nuvertei Einšteiną“. Ir visgi rašysiu jums apie virššviesinį judėjimą, ir Einšteino niekur nevartysiu.

Pradėsiu nuo asmeninio prisipažinimo, kad aukščiau minėtas iš mokyklos atsineštas teiginys, jog „niekas negali judėti greičiau už šviesą“ mane labai erzina. Nors jis beveik neklaidingas, bet tas „beveik“ yra pakankamai platus, kad tilptų visokie nesusipratimai, blogos mokslinių atradimų interpretacijos ir taip toliau. Taigi pasistengsiu paaiškinti, kaip yra iš tikrųjų, ir duoti pavyzdžių, kada ir koks judėjimas gali būti greitesnis už šviesą.

Paimkime tokį pavyzdį. Stovite jūs apskritoje aikštėje ir šviečiate prožektoriumi į gyvatvorę vienoje pusėje. Daugiau šviesų nėra, taigi prožektoriaus sukurtas šviesos plotelis yra vienintelė šviesi vieta. Ir staiga jūs apsisukate ir jau šviečiate į gyvatvorę kitoje pusėje. O sukotės taip, kad visą laiką prožektorius nukreiptas horizontaliai ir šviečia į tą gyvatvorę, juosiančią bent pusę aikštės. Kiek laiko praeis, kol priešingoje aikštės pusėje esanti gyvatvorė bus apšviesta? Fotonai sklinda iš prožektoriaus, tad jei aikštės spindulys yra R, tai laiko trukmė yra R/c, kur c – šviesos greitis. Tačiau šviesos laukas per tą patį laiko tarpą pajudėjo ne atstumą R, o πR – pusę apskritimo. Taigi jo judėjimo greitis buvo ne mažesnis už šviesos greitį, ne lygus jam, o π kartų didesnis! Štai jums ir pavyzdys kažko, kas juda greičiau už šviesą.

Aišku, toks pavyzdys neatlaiko įvairios kritikos. Galime paimti praktinę kritiką – apsisukti juk užtrunka kažkiek laiko. Taigi laiko tarpas iki priešingos pusės gyvatvorės nušvitimo yra ne R/c, o $$R/c + t_{aps}$$. Tada šviesos lauko judėjimo greitis tampa nebe πc, o $$\pi R / \left(R/c + t_{aps}\right) = \pi c / \left(1+ct_{aps}/R\right)$$, ir normali apsisukimo trukmė yra pakankamai didelė, kad virššviesinio judėjimo nestebėtume. Bet iš principo labai greitai apsisukantį prožektorių padaryti turėtų būti įmanoma. Antra kritika – rimtesnė. Juk „šviesos laukas“ nėra kažkoks daiktas, tad ir jo judėjimas nėra objekto judėjimas. Judantys objektai yra tik fotonai, ir jie juda nuo prožektoriaus iki gyvatvorės, ne gyvatvore aplink aikštę. Ši kritika yra visiškai teisinga ir leidžia mums suprasti vieną svarbų papildymą teiginiui apie nejudėjimą greičiau už šviesą. Papildytas teiginys skamba šitaip: joks objektas negali judėti greičiau už šviesą. Bet ir tai nėra visa tiesa.

Eikime prie antro pavyzdžio. Šį kartą įsivaizduokime, kad laikome rankoje virvės galą, o kitas galas pririštas prie durų rankenos. Paimame tą virvę ir pajudiname kairėn-dešinėn. Per visą ją nueina banga. Pajudiname daugiau, bangavimas tęsiasi. Galime išmatuoti bangų judėjimo greitį – jis bus nedidelis, bet ir nenulinis, ir nukreiptas nuo mūsų durų link. Bet virvė juk niekur nejuda, tai kaip čia išeina? Čia susiduriame su reiškiniu, kuris vadinasi fazinis greitis. Bet kokiai bangai galima apskaičiuoti fazinį greitį – tai yra tiesiog jos keteros (arba bet kurios kitos dalies) judėjimo greitis. Ir šiam greičiui šviesos greičio apribojimas negalioja. Kambaryje su virve virššviesinio judėjimo pamatyti nepavyks, bet elektromagnetinės bangos gali turėti fazinį greitį, didesnį už šviesos greitį. Kaip taip gali būti? Iš dalies atsakymas jau turėtų būti aiškus – fazinis greitis nesusijęs su objekto judėjimu. Bet yra ir tikslesnis apibūdinimas, kodėl jam negalioja apribojimas: fazinis greitis neperduoda jokios informacijos. Šviesos greitis yra informacijos perdavimo greičio riba, taigi jei kažkoks procesas informacijos neperduoda, jis gali vykti ir greičiau, negu vakuume juda šviesa.

Fazinis greitis (raudono taško judėjimas) gali būti didesnis, nei grupinis greitis (t.y. medžiagos judėjimas, čia – žalių taškų judėjimas). Iliustracija iš Vikipedijos

Pirmos dalies pabaigai – įdomesnis pavyzdys. Kvantinėje mechanikoje egzistuoja toks reiškinys, vadinamas „supynimu“ arba „susiejimu“ (angliškai entanglement). Dvi dalelės, kurių kiekvienos kvantinė būsena nėra žinoma (t.y. yra keleto būsenų superpozicijoje), gali būti susietos. Tada, vos tik atliekamas matavimas, užfiksuojantis vienos iš dalelių būseną, tuo pat metu kitos dalelės būsena irgi užsifiksuoja. „Tuo pat metu“ yra tikrai tuo pat metu, vėlgi be jokio šviesos greičio apribojimo. Susietas daleles galima fiziškai atskirti dideliu atstumu, ir vis tiek joms galios ta pati sąlyga. Taigi galima sakyti, kad vos tik užfiksuojama vienos dalelės būsena, kitai dalelei ta informacija nukeliauja greičiau už šviesą. Naujausi matavimai rodo, kad susietų dalelių komunikacija vyksta bent 10 tūkstančių kartų didesniu greičiu, nei šviesos greitis.

Bet ar kvantinis susietumas tikrai perduoda informaciją? Abi (ar daugiau nei dvi) dalelės yra vienos kvantinės sistemos dalys. Kvantinio susietumo efekto stebėjimas yra tiesiog vienos sistemos evoliucijos stebėjimas. Nesvarbu, kad tos sistemos dalys yra fiziškai nutolusios viena nuo kitos – visa informacija jau yra abiejose sistemose, tad ir būsenos užfiksavimas įvyksta abiejose vienodai sėkmingai, be jokio tikro informacijos perdavimo. Jei būtų bandoma kažkaip įrašyti informaciją į vieną iš dalelių, nutolusią nuo kitų, ta dalelė tiesiog taptų nebesusieta su kitomis ir ryšys pranyktų, jokių žinių neperdavęs.

Tad štai, turime tris pavyzdžius, kaip galima judėti greičiau, negu juda šviesa. Nei vienas jų neprieštarauja teiginiui, kad informacija negali būti perduodama greičiau už šviesą – šitie procesai informacijos neperduoda, todėl ir šviesos greičio apribojimas jiems negalioja. Antroje rašinio dalyje papasakosiu apie du atvejus, kai objektų judėjimas tikrai gali būti greitesnis už šviesą, ir kad tai irgi neprieštarauja reliatyvumo teorijai.

Laiqualasse

 

10 comments

  1. Su tuo žibintuvėliu tai pamenu pavyzdį dar iš senos tarybinės knygos „Einšteinas“, kurią vaikystėj skaičiau, nes reliatyvumas buvo labai pradėjęs neraminti.

    Vienok visgi, niekas nedraudžia dviejų objektų paleisti skirtingomis kryptimis „beveik šviesos greičiu“ ir tada jų santykinis greitis bus didesnis už šviesos greitį. O jei priimsime, kad objektas judantis pastoviu greičiu lygiai tas pats, kas stovintis (nes nėra absoliutinio atskaitos taško), tai kitas objektas nuo jo nulėks greičiau, nei šviesa, ką?

    1. „Vienok visgi, niekas nedraudžia dviejų objektų paleisti skirtingomis kryptimis „beveik šviesos greičiu““

      Trū, šito nedraudžia.

      „tada jų santykinis greitis bus didesnis už šviesos greitį“

      Nebus. Greičių sudėtis ne taip veikia.

      Plačiau – kada nors netrukus, kai užbaigsiu šitą seriją.

  2. Fizikai įkala mokykloje dėl šviesos greičio, o matematikai – dėl dalybos iš nulio ir šaknies iš -1 negalimumo. O ateini į univerą ir ten dalina, traukia ir problemų nemato. Sunku buvo persilaužti. Mano vaikas tikiuosi atves mokytojus į protą dėl tokių nesąmonių.

      1. Man tai persilaužti sunku nebuvo, aukštoji matematika buvo netgi labai smagu, pajutau jai tikrą meilę. Gal kiek blogiau, kad mokykloj matematika yra (buvo?) aiškinama, kaip tikslusis mokslas, tuo tarpu aukštoji matematika pilna filosofijos ir abstrakcijų.

        e laipsnyje π iš dviejų yra menama šaknis iš menamo vieneto!

Leave a Reply

El. pašto adresas nebus skelbiamas. Būtini laukeliai pažymėti *