Kaip aplenkti šviesą? III dalis

Pirmuose dviejuose ciklo rašiniuose trumpai pristačiau du atvejus, kai kažkas gali judėti greičiau už šviesą. Pirmas atvejis – tas „kažkas“ nėra objektas ir neneša informacijos. Antras atvejis – Visatos plėtimasis ir kitokie erdvės iškreiptumai, kurių sukeliamam judėjimui šviesos greičio apribojimas negalioja, nes juda erdvė, o ne objektai joje. Dabar beliko papasakoti apie keletą situacijų, kai objektai atrodo judantys greičiau už šviesą, nors iš tikro taip nėra.

Aštuntajame praeito amžiaus dešimtmetyje astronomai aiškinosi, kas per dalykas yra kvazarai. Pirmi tokie objektai – atrodantys taškiniai, kaip žvaigždės, tačiau turintys nežvaigždinius spektrus – aptikti dar daugiau nei dešimčia metų anksčiau, bet ir tuo metu dar nebuvo visai aišku, kokiais atstumais nuo mūsų jie yra. Jų spektrai atitiko galaktikų spektrus su didžiuliu raudonuoju poslinkiu, kas rodė, kad jie yra labai tolimi ir labai šviesūs objektai. Tačiau kiti duomenys nedavė ramybės ir tarsi prieštaravo tokiai interpretacijai. Kvazaruose aptiktos čiurkšlės, judančios tolyn nuo centrų į tarpgalaktinę aplinką. Tuo metu kaip tik atsirado interferometriniai teleskopai, kuriais pavyko išmatuoti kai kurių čiurkšlių judėjimą dangaus skliautu. O išmatuotas greitis viršijo šviesos greitį. Iki subšviesinių dydžių jis sumažėdavo tik tada, jei kvazarus interpretuotume kaip daugybę kartų artimesnius objektus – galbūt mūsų Galaktikoje esančius šaltinius.

Visgi šiandien žinome, kad kvazarai tikrai yra labai tolimi. Kaip išspręsta virššviesinių čiurkšlių problema? Ogi niekaip, nes jokios problemos nebuvo, tiesiog reikėjo suprasti, kaip teisingai interpretuoti stebėjimus. Esmė čia yra tokia: tos čiurkšlės juda greičiais, artimais šviesos greičiui, o jų judėjimo kryptys nukreiptos beveik į mus – tik keletu laipsnių į šoną. Taigi čiurkšlės medžiagos išspinduliuota šviesa, judanti mūsų link, čiurkšlę aplenkia tik nežymiai. Pavyzdžiui, jei čiurkšlės greitis sudaro 90% šviesos greičio, tai per metus šviesa čiurkšlę aplenks tik dešimtadaliu šviesmečio. Čiurkšlė spinduliuoja visada, taigi mūsų link visada artėja spinduliuotės frontas. Kadangi čiurkšlė labai greitai vejasi šviesą (nors ir atsilieka šiek tiek nuo jos), tai mums atrodo, kad šviesos frontas išspinduliuojamas per mažesnį laiko tarpą, nei praeina iš tikro. Kitaip tariant, šviesa, išspinduliuota per dešimt metų, mus gali pasiekti per vienerius metus, jei čiurkšlės greitis siekia 90% šviesos greičio. O per tuos dešimt metų net ir nedideliu kampu judanti čiurkšlė galėjo į šoną pasislinkti daugiau nei šviesmetį. Tad išmatavę jos atvaizdo judėjimą gauname greitį, didesnį už šviesos. Nors jokio virššviesinio judėjimo niekur nėra, tiesiog atvaizdai taip susideda.

Nuo aktyvaus galaktikos branduolio čiurkšlė tolsta kryptimi, artima krypčiai mūsų link. Čiurkšlė visą laiką spinduliuoja, o nuo spinduliuotės pati atsilieka nežymiai. Taigi spinduliai mus pasiekia per mažesnį laiko tarpą, negu buvo išspinduliuoti, ir gali susidaryti įspūdis, kad dangaus skliautu (statmenai krypčiai į mus) čiurkšlė juda greičiau už šviesą. ©Kenneth I. Kellerman

Iš principo virššviesinis čiurkšlių judėjimas yra labai panašus dalykas, kaip pirmame ciklo rašinyje minėtas atvaizdų judėjimas. Dangaus skliautas nėra realus paviršius, o tai, ką jame matome – tik objektų atvaizdai. O atvaizdo judėjimas ne visada atitinka dangaus kūno judėjimą. Bet žinant vieną, galima suprasti ir kitą, tereikia pagalvoti ir paskaičiuoti.

Beje, regimojo virššviesinio greičio čiurkšlės stebimos ne tik tolimuose kvazaruose. Jų pasitaiko ir jaunose žvaigždėse, ir dvinarėse sistemose mūsų Galaktikoje, kuriose yra juodoji skylė, spjaunanti čiurkšlę beveik mūsų link.

Dar vienas astronominis reiškinys, kuris, naiviai žiūrint, galėjo sukelti virššviesinį judėjimą, yra supernovų sprogimai. Tokio sprogimo metu išsiskiria labai daug energijos, kurios didelė dalis pasklinda į aplinką kaip fotonai (elektromagnetinės bangos) ir neutrinai (labai mažą masę turinčios dalelės). Ir neutrinai stebėtoją pasiekia anksčiau, nei fotonai. Tai buvo vieną kartą užfiksuota – 1987-aisiais metais sprogus supernovai SN1987A, neutrinų detektorius srautą užfiksavo trimis valandomis anksčiau, nei pastebėta pati supernova, t.y. nei mus pasiekė jos fotonai. Ar tai reiškia, kad neutrinai juda greičiau už šviesą?

Turbūt nenustebsite, kad atsakymas yra „ne, nereiškia“. Kad suprastume, kodėl neutrinai atlekia anksčiau, reikia suprasti, kaip jie juda pačioje supernovos sprogimo pradžioje. Neutrinai su kitomis dalelėmis sąveikauja labai silpnai – taip silpnai, kad jų aptikimui yra statomi kilometrų dydžio detektoriai, pilni visokių jautrių prietaisų, siekiant užfiksuoti bent vienos dalelės sąveiką. Supernovos sprogimo metu susikūrę neutrinai su besiplečiančiais išoriniais žvaigždės sluoksniais irgi nesąveikauja, o išlekia visomis kryptimis iškart. Tuo tarp šviesos spinduliai – fotonai – taip lengvai pabėgti negali. Išspinduliuoti žvaigždės centre, fotonai daug kartų sugeriami ir išspinduliuojami vėl, kol prasibrauna pro tankius išorinius žvaigždės sluoksnius ir išlekia į tarpžvaigždinę erdvę. Tas brovimasis užtrunka kelias valandas, todėl neutrinų srautas ir pasiekia mus anksčiau. O patys neutrinai, kiek žinoma, juda beveik tiksliai šviesos greičiu – kol kas nežinoma, ar jų greitis mažesnis už šviesos, ar lygus, bet praktiškai nėra abejonių, kad neutrinai šviesos neaplenkia (prieš porą metų italų gauti rezultatai vėliau pasirodė esą matavimų paklaida).

Supernovos sprogimas prasideda nuo žvaigždės šerdies kolapso į labai mažą objektą - neutroninę žvaigždę ar net juodąją skylę. Tuo metu išsiskiria labai daug energijos, kurios dalis palieka žvaigždę kaip neutrinai. Likusi energija kaitina kolapsuojančius išorinius žvaigždės sluoksnius, kurie yra pakankamai tankūs, kad kelias valandas neišleistų fotonų iš centro. ©Sky & Telescope, Steven Simpson

Fotonų atsilikimą nuo neutrinų galima paaiškinti dar ir taip: supernovos sprogimo metu žvaigždės medžiagos lūžio rodiklis yra gerokai didesnis už vienetą, todėl pro ją einanti šviesa sulėtėja, o neutrinai – ne. Tokia situacija, kai kažkas juda greičiau už šviesą tam tikroje aplinkoje, kur šviesos greitis mažesnis už c, pasireiškia dar vienu reiškiniu – Čerenkovo spinduliuote.

Įsivaizduokime, kad turime kažkokią tankią medžiagą. Pro ją lėkdama šviesa sulėtėja. Į ją paleidžiame kitų dalelių – ne fotonų – srautą, įgreitintą tiek, kad toje medžiagoje šviesą jis aplenktų (nors c – šviesos greičio vakuume – srautas nepasiekia). Kas vyksta tuomet? Jei dalelės turi krūvį (pavyzdžiui, yra elektronai), o terpė yra dielektrinė (tai reiškia, kad ji gali būti elektriškai poliarizuota), srautas už savęs palieka poliarizuotos terpės pėdsaką, kuris ima spinduliuoti tarsi smūginė banga. Procesas yra labai panašus į viršgarsinių lėktuvų sukuriamą smūginę bangą, tik vietoje garso bangų turime elektromagnetines bangas. Įdomu yra tai, kad dalelėms reikalingas greitis turi viršyti ne grupinį, o tik fazinį šviesos greitį medžiagoje, o pastarasis gali būti sumažintas drastiškai, pavyzdžiui, jei medžiaga turi kristalinę struktūrą.

Čerenkovo spinduliuotė – toli gražu ne tik teorinis konstruktas. Ji netgi pirmiau buvo aptikta eksperimentiškai, o ne paaiškinta teoriškai. Čerenkoviškai spinduliuoja elektronai branduoliniuose reaktoriuose, šią spinduliuotę skleidžia kosminių spindulių sąveikos su atmosferos dalelėmis metu susikūrę elektronai ir pozitronai, o jų stebėjimas leidžia nustatyti, iš kur kosminiai spinduliai atsklido ir kokia jų energija. Ir vėlgi – judėjimas yra virššviesinis lokaliai, medžiagoje, tačiau niekada neviršija šviesos greičio vakuume, kuris ir yra konstanta.

Kosminių spindulių dušas: į atmosferą pataikęs kosminis spindulys sukuria naujų dalelių, kurios lekia žemyn, toliau besidaužydamos su atmosferos atomais. Kai kurios taip susikūrusios dalelės gali judėti greičiau už šviesą atmosferoje. ©University of Delaware

Beje, grįžtant prie reliatyvumo teorijos – šviesos greitis vakuume nėra kažkuo išskirtinai susijęs su šviesa. Tai tiesiog yra greitis, kuriuo juda visos dalelės, neturinčios rimties masės. Fotonai rimties masės neturi, todėl ir juda tokiu greičiu. Bet ir kitos dalelės, kurių masė nulinė, juda tuo pačiu šviesos greičiu. Neutrinai gali būti vienas iš pavyzdžių – jų masė nėra tiksliai žinoma, bet gali būti ir nulinė.

Šioje vietoje ir baigsiu pasakojimą apie dalykus, kurie galbūt aplenkia šviesą. Kai kurie tikrai aplenkia, bet nėra objektai, kai kurie yra objektai ir aplenkia, bet nelokaliai, o kiti yra objektai, bet tik atrodo, kad aplenkia. Tad kai kitą kartą išgirsite ką nors šnekant apie reliatyvumo teorijos paneigimus, pirmiausia įsitikinkite, kad tai nėra tik naujai ištrauktas gerai žinomas reiškinys, kai kažkas juda greičiau už šviesą.

Laiqualasse

2 comments

  1. Šitągi, o visgi su tom suporuotom dalelėm… kaip suprantu, matuojamos būsenos yra vienodos, bet nėra mechanizmo tas būsenas pagal užgaidą vienoje pusėje keisti, o kitoje pamatuoti? Nes jeigu būtų įmanoma kaitalioti vienos dalelės būseną, tai kita lyg ir ją turėtų įgauti?

Leave a Reply

El. pašto adresas nebus skelbiamas. Būtini laukeliai pažymėti *