Home » Articole » RO » Știință » Fizica » Teoria relativității » Comunicarea superluminică – Justificarea vitezelor superluminice

Comunicarea superluminică – Justificarea vitezelor superluminice

Comunicare superluminică

Comunicarea mai rapidă decât lumina este, prin prisma teoriei relativității lui Einstein, echivalentă cu călătoria în timp. Conform teoriei relativității speciale a lui Einstein, ceea ce măsurăm ca viteza luminii într-un vid (sau aproape de vid) este de fapt constanta fizică fundamentală c. Aceasta înseamnă că toți observatorii inerțiali, indiferent de viteza lor relativă, vor măsura întotdeauna particule de masă zero, cum ar fi fotonii care se deplasează la c în vid. Acest rezultat înseamnă că măsurătorile de timp și de viteză în diferite cadre nu mai sunt legate doar de schimbări constante, ci sunt în schimb legate de transformările Poincaré. Aceste transformări au implicații importante:

  • Impulsul relativist al unei particule masive ar crește cu viteza într-un asemenea mod încât la viteza luminii un obiect ar avea un impuls infinit.
  • Pentru a accelera un obiect de masă de repaus diferită de zero la c ar necesita timp infinit cu orice accelerare finită sau accelerație infinită pentru o perioadă finită de timp.
  • Oricum, o astfel de accelerare necesită energie infinită.
  • Unii observatori cu mișcare relativă subluminică nu vor cădea de acord cu privire la care evenimente apare mai întâi din oricare două evenimente care sunt separate de un interval spațial. Cu alte cuvinte, orice călătorie mai rapidă decât lumina va fi văzută ca deplasându-se înapoi în timp în alte cadre de referință la fel de valabile, sau trebuie să presupunem ipoteza speculativă a posibilelor încălcări ale invarianței Lorentz la o scară în prezent neobservată de exemplu scara Planck). Prin urmare, orice teorie care permite viteze superluminice „adevărate” trebuie să facă față și călătoriei în timp și tuturor paradoxurilor sale asociate, sau altfel să presupună că invarianța Lorentz este o simetrie a naturii statistice termodinamice (deci o simetrie ruptă la o scară în prezent neobservată).
  • În relativitatea specială, viteza coordonatelor luminii este garantată a fi c numai într-un cadru inerțial; într-un cadru non-inerțial, viteza coordonatelor poate fi diferită de c. În relativitatea generală, niciun sistem de coordonate pe o regiune vastă de spațiu temporal curbat nu este „inerțial”, deci este permis să se folosească un sistem global de coordonate unde obiectele călătoresc mai repede decât c, dar în vecinătatea locală a oricărui punct în spațiu curbat putem defini un „cadru local inerțial”, iar viteza locală a luminii va fi c în acest cadru, obiectele masive care se deplasează prin această vecinătate locală având întotdeauna o viteză mai mică decât c în cadrul inerțial local.

Justificări

Lumină mai rapidă (vidul Casimir și tunelarea cuantică)

Ecuațiile lui Einstein de relativitate specială postulează că viteza luminii în vid este invariabilă în cadre inerțiale. Adică, va fi aceeași din orice cadru de referință care se mișcă la o viteză constantă. Ecuațiile nu specifică nicio valoare particulară pentru viteza luminii, care este o cantitate determinată experimental pentru o unitate fixă ​​de lungime. Din 1983, unitatea SI de lungime (metru) a fost definită folosind viteza luminii.

Efectul Casimir
Sursa https://en.wikipedia.org/wiki/File:Casimir_plates.svg

(Forțele Casimir pe plăci paralele.)

Determinarea experimentală a fost făcută în vid. Cu toate acestea, vidul cunoscut nu este singurul vid posibil care poate exista. Vidul are energie asociată cu el, numită pur și simplu energia de vid, care poate fi modificată în anumite cazuri. Atunci când energia de vid este coborâtă, se prognozează că lumina în sine este mai rapidă decât valoarea standard c. Acesta se numește efectul Scharnhorst. Un astfel de vid poate fi produs prin aducerea a două plăci metalice perfect netede la o distanță apropiată de diametrul atomic. Se numește un vid Casimir. Calculele implică faptul că lumina va merge mai repede într-un astfel de vid cu o creștere minusculă: un foton care se deplasează între două plăci care se află la o distanță de 1 micron ar crește viteza fotonului cu doar o parte din 1036. În consecință, nu a existat încă o verificare experimentală a predicției. O analiză recentă a susținut că efectul Scharnhorst nu poate fi folosit pentru a trimite informații înapoi în timp cu un singur set de plăci, deoarece cadrul de repaus al plăcilor ar defini un „cadru preferat” pentru semnalizarea mișcării mai iute ca lumina (MIL). Cu toate acestea, cu mai multe perechi de plăci în mișcare relativă între ele, autorii au remarcat că nu aveau argumente care să „garanteze absența totală a încălcărilor de cauzalitate” și au invocat ipoteza conjecturii protecției cronologiei speculative a lui Hawking, care sugerează că buclele de feedback ale particulelor virtuale ar crea „singularități necontrolabile ale energiei cuantice renormalizate” la limita oricărei mașini temporale potențiale, și astfel ar necesita o analiză completă a unei teorii a gravitației cuantice. Alți autori susțin că analiza inițială a lui Scharnhorst, care părea să arate posibilitatea unor semnale mai rapide decât c, a implicat aproximări care ar putea fi incorecte, astfel încât nu este clar dacă acest efect ar putea crește viteza semnalului.

Fizicienii Günter Nimtz și Alfons Stahlhofen, de la Universitatea din Köln, susțin că s-a încălcat experimental relativitatea transmițând fotoni mai repede decât viteza luminii. Ei spun că au efectuat un experiment în care fotonii cu microunde – pachete de energie relativ scăzută de lumină – au călătorit „instantaneu” între o pereche de prisme care au fost deplasate până la o distanță de 1 m. Experimentul lor a implicat un fenomen optic cunoscut sub numele de „moduri evanescente” și susțin că, deoarece modurile evanescente au un număr de undă imaginar, ele reprezintă o „analogie matematică” a tunelului cuantic. Nimtz a susținut, de asemenea, că „modurile evanescente nu sunt pe deplin descrise de ecuațiile Maxwell, iar mecanica cuantică trebuie luată în considerare”. Alți oameni de știință, cum ar fi Herbert G. Winful și Robert Helling, au susținut că, de fapt, nu există nimic cuantic-mecanic în experimentele lui Nimtz și că rezultatele pot fi pe deplin prezise de ecuațiile electromagnetismului clasic (ecuațiile lui Maxwell).

Nimtz a spus revistei New Scientist: „Pentru moment, aceasta este singura încălcare a relativității speciale pe care o cunosc”. Cu toate acestea, alți fizicieni spun că acest fenomen nu permite transmiterea informațiilor mai repede decât lumina. Aephraim Steinberg, expert în domeniul opticii cuantice la Universitatea din Toronto, Canada, folosește analogia unui tren care călătorește de la Chicago la New York, dar din care cad mașini la fiecare stație de-a lungul drumului, astfel încât centrul de greutate în scădere al trenului se deplasează înainte la fiecare oprire; în acest fel, viteza centrului de greutate al trenului depășește viteza oricărei mașini individuale.

Herbert G. Winful susține că analogia trenului este o variantă a „argumentului de reformare” a vitezelor de tunelare superluminică, dar el continuă să spună că acest argument nu este susținut de experiment sau simulări, care arată de fapt că pulsul transmis are aceeași lungime și aceeași formă ca și pulsul incident. În schimb, Winful susține că întârzierea grup în tunelar nu este de fapt timpul de tranzit al pulsului (a cărui lungime spațială trebuie să fie mai mare decât lungimea barierei pentru ca spectrul său să fie suficient de îngust pentru a permite tunelarea), ci este în schimb durata de viață a energiei stocate într-o undă staționară care se formează în barieră. Deoarece energia stocată în barieră este mai mică decât energia stocată într-o regiune fără barieră de aceeași lungime din cauza interferențelor distructive, întârzierea de grup pentru ca energia să scape de regiunea barierei este mai scurtă decât ar fi în spațiul liber, care în conformitate cu Winful este explicația pentru tunelarea aparentă superluminică.

Un număr de autori au publicat lucrări care contestă afirmația lui Nimtz potrivit căreia cauzalitatea lui Einstein este încălcată de experimentele sale și există multe alte lucrări din literatură care discută despre motivul pentru care nu se crede că tunelarea cuantică încalcă cauzalitatea.

Mai târziu, grupul Keller a susținut în Elveția că tunelarea de particule are într-adevăr un timp real zero. Testele lor au implicat electroni de tunelare, unde grupul a susținut o predicție relativistă pentru timpul de tunelare că ar trebui să fie de 500-600 de attosecunde (o attosecundă este 10-18 din o secundă). Tot ce putea fi măsurat a fost 24 de attosecunde, ceea ce reprezintă limita preciziei testului. Din nou, însă, alți fizicieni cred că experimentele de tunelare în care particulele par să petreacă timpuri anormal de scurte în interiorul barierelor sunt, de fapt, pe deplin compatibile cu relativitatea, deși există dezacord cu privire la faptul dacă explicația implică remodelarea pachetului de unde sau a altor efecte.

Renunțarea (absolută) la relativitate

Din cauza sprijinului empiric puternic pentru relativitatea specială, orice modificare a acesteia trebuie să fie neapărat subtilă și dificil de măsurat. Cea mai cunoscută încercare este relativitatea dublă specială, care presupune că lungimea Planck este, de asemenea, aceeași în toate cadrele de referință și este asociată cu lucrările lui Giovanni Amelino-Camelia și João Magueijo.

Există teorii speculative care pretind că inerția este produsă de masa combinată a universului (de exemplu, principiul lui Mach), ceea ce implică faptul că restul cadrului universului ar putea fi preferat prin măsurători convenționale ale legii naturale. Dacă ar fi confirmat, acest lucru ar implica faptul că relativitatea specială este o aproximare a unei teorii mai generale, dar din moment ce comparația relevantă (prin definiție) ar fi în afara universului observabil, este dificil să ne imaginăm (și și mai puțin să construim) experimente pentru a testa această ipoteză.

Distorsiunea spațu-timp

Deși teoria relativității speciale interzice obiectelor să aibă o viteză relativă mai mare decât viteza luminii și relativitatea generală se reduce la relativitatea specială într-un sens local (în regiunile mici ale spațiului în care curbura este neglijabilă), relativitatea generală permite spațiului dintre obiectele îndepărtate să se extindă astfel încât să aibă o „viteză de recesiune” care depășește viteza luminii, și se crede că galaxiile aflate la o distanță mai mare de 14 miliarde de ani-lumină de astăzi au o viteză de recesiune care este mai mare decât lumina. Miguel Alcubierre a susținut că este posibil să se creeze un sistem Alcubierre, în care o navă va fi închisă într-o „bulă de distorsiune”, unde spațiul din față al bulei se contractă rapid și spațiul din spate se extinde rapid, rezultatul fiind că bula poate ajunge la o destinație îndepărtată mult mai rapid decât un fascicul de lumină care se mișcă în afara bulei, dar fără obiecte din interiorul bulei care se deplasează local mai repede decât lumina. Cu toate acestea, mai multe obiecții ridicate împotriva unității Alcubierre par să excludă posibilitatea utilizării efective a acesteia în orice mod practic. O altă posibilitate prezisă de relativitatea generală este gaura de vierme traversabilă, care ar putea crea o scurtătură între puncte distanțate arbitrar în spațiu. Ca și în cazul călătoriei Alcubierre, călătorii care se deplasează prin gaura de vierme nu s-ar mișca mai repede decât lumina care călătorește prin gaura de vierme alături de ei, dar ar putea ajunge la destinație (și să se întoarcă la locația lor de plecare) mai repede decât lumina care călătorește în afara găurii de vierme.

Dr. Gerald Cleaver, profesor asociat de fizică la Universitatea Baylor, și Richard Obousy, un student absolvent la Baylor, au susținut că manipularea dimensiunilor spațiale suplimentare ale teoriei corzilor în jurul unei nave spațiale cu o cantitate extrem de mare de energie ar crea o „bulă” pentru ca nava să călătorească mai repede decât viteza luminii. Pentru a crea acest balon, fizicienii cred că manipularea celei de-a zecea dimensiuni spațiale ar schimba energia întunecată în trei mari dimensiuni spațiale: înălțime, lățime și lungime. Cleaver a spus că energia întunecată este, în prezent, responsabilă pentru accelerarea ratei de expansiune a universului nostru pe măsură ce timpul trece.

Teoria Heim

În 1977, o lucrare despre teoria lui Heim a teoretizat că este posibil să călătorești mai repede decât lumina folosind câmpuri magnetice pentru a intra într-un spațiu de dimensiuni mai mari.

Violarea simetriei Lorentz

Posibilitatea de a fi încălcată simetria Lorentz a fost serios luată în considerare în ultimele două decenii, în special după elaborarea unei teorii eficiente realiste a câmpului, care descrie această posibilă încălcare, așa-numita Extensie a Modelului Standard. Acest cadru general a permis căutări experimentale prin experimente de raze cosmice ultra-înalte și o varietate largă de experimente în domeniul gravitației, electronilor, protonilor, neutronilor, neutrinilor, mezonilor și fotonilor. Distrugerea rotației și amplificarea invarianței determină dependența de direcție în teorie, precum și dependența energetică neconvențională care introduce efecte noi, inclusiv oscilațiile neutrinilor care încalcă simetria Lorentz și modificările relațiilor de dispersie ale diferitelor specii de particule, care pot face în mod natural particulele să se miște mai repede decât lumina .

În unele modele de simetrie Lorentz rupte, se presupune că simetria este încă încorporată în cele mai fundamentale legi ale fizicii, dar că ruperea spontană a simetriei invarianței Lorentz la scurt timp după Big Bang ar fi putut lăsa un „câmp relicvă” prin univers care determină particulele să se comporte diferit în funcție de viteza lor față de câmp; totuși, există și câteva modele în care simetria Lorentz este ruptă într-un mod mai fundamental. Dacă simetria Lorentz poate înceta să fie o simetrie fundamentală la scară Planck sau la o altă scară fundamentală, este de presupus că particulele cu o viteză critică diferită de viteza luminii sunt constituenții finali ai materiei.

În modelele actuale de încălcare a simetriei Lorentz, se așteaptă ca parametrii fenomenologici să fie dependenți de energie. Prin urmare, după cum se recunoaște pe scară largă, limitele existente cu consum redus de energie nu pot fi aplicate fenomenelor de energie înaltă; totuși, multe căutări pentru încălcarea simetriei lui Lorentz la energii ridicate au fost efectuate utilizând Extensia Modelului Standard. Încălcarea simetriei Lorentz este de așteptat să devină mai puternică pe măsură ce se apropie de scara fundamentală.

Teorii ale vidului fizic superfluid

În această abordare, vidul fizic este privit ca superfluidul cuantic care este în esență non-relativist, în timp ce simetria Lorentz nu este o simetrie exactă a naturii, ci mai degrabă o descriere aproximativă valabilă numai pentru fluctuațiile mici ale fundalului superfluid. În cadrul abordării a fost propusă o teorie în care vidul fizic este conjecturat a fi lichidul cuantic Bose a cărui funcție de undă de stare de bază este descrisă de ecuația logaritmică Schrödinger. S-a demonstrat că interacțiunea gravitațională relativistă apare ca mod de excitație colectivă cu amplitudine mică, în timp ce particulele elementare relativiste pot fi descrise de către modurile asemănătoare particulelor în limita impulsului scăzut. Faptul important este că, la viteze foarte mari, comportamentul modurilor asemănătoare cu particulele devine diferit de cel relativist – se poate atinge viteza limită a luminii la energie finită; de asemenea, propagarea mai rapidă decât lumina este posibilă fără a cere ca obiectele în mișcare să aibă o masă imaginară.

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile obligatorii sunt marcate cu *