» » » » » » Posibile depășiri pentru viteza luminii

Posibile depășiri pentru viteza luminii

Posibilă distanță la depărtare de Pământ

Deoarece nu putem călători mai repede decât lumina, s-ar putea concluziona că un om nu poate călători niciodată mai departe de Pământ de 40 de ani-lumină, dacă este activ între vârsta de 20 și 60 de ani. Călătorul nu ar putea ajunge niciodată mai departe de foarte puținele sisteme de stele care există în limita a 20-40 de ani-lumină de la Pământ. Aceasta este o concluzie greșită: din cauza dilatării timpului, călătorul poate călători mii de ani-lumină în timpul celor 40 de ani activi. Dacă nava spațială accelerează la o constantă de 1 g (în propriul cadru de referință în schimbare), va ajunge, după 354 de zile, la viteze puțin sub viteza luminii (pentru un observator de pe Pământ), iar dilatarea timpului va crește durata de viață la mii de ani pământești, văzut din sistemul de referință al Sistemului Solar, însă viața subiectivă a călătorului nu se va schimba astfel. Dacă călătorul revine pe Pământ,  va ateriza după mii de ani în viitorul Pământului. Viteza sa nu va fi văzută ca fiind mai mare de viteza luminii de către observatorii de pe Pământ, iar călătorul nu va măsura viteza sa ca fiind mai mare decât viteza luminii, dar va vedea o contracție în lungime a universului în direcția lui de deplasare. Și când călătorul se întoarce, pe Pământ va părea că a trecut mult mai mult timp decât timpul călătorului. Deci, în timp ce viteza (ordinară) a coordonatelor nu poate depăși c, viteza proprie (distanța văzută de Pământ împărțită la timpul propriu) poate fi mult mai mare decât c. Acest lucru este observat în studiile statistice ale muonilor care călătoresc de c.

Vitezele de fază mai mari de c

Viteza de fază a undelor electromagnetice, atunci când călătoresc printr-un mediu, poate în mod curent să depășească c, viteza în vid a luminii. Totuși, viteza de fază a unei unde corespunde vitezei de propagare a unei componente teoretice de o singură frecvență (pur monocromatică) a undei la acea frecvență. O astfel de componentă de undă trebuie să fie infinită în întindere și în amplitudine constantă (altfel nu este cu adevărat monocromatică) și astfel nu poate transmite nicio informație. Astfel, o viteză de fază mai mare de c nu implică propagarea semnalelor cu o viteză mai mare de c.

Vitezele de grup mai mari de c

Viteza de grup a unei unde (de exemplu, un fascicul de lumină) poate, de asemenea, să depășească c în anumite circumstanțe. În astfel de cazuri, care în mod obișnuit implică în același timp atenuarea rapidă a intensității, maximul anvelopei unui impuls poate călători cu o viteză mai mare de c. Cu toate acestea, chiar și această situație nu implică propagarea semnalelor cu o viteză mai mare de c, chiar dacă cineva poate fi tentat să asocieze maximele impulsurilor cu semnale. Ultima asociere s-a dovedit a fi înșelătoare, deoarece informația despre sosirea unui impuls poate fi obținută înainte de a ajunge la maximul impulsului. De exemplu, dacă un anumit mecanism permite transmisia completă a părții principale a unui impuls în timp ce atenuează puternic maximul impulsului și totul în spate (distorsiune), maximul impulsului este în mod efectiv schimbat înainte în timp, în timp ce informațiile despre impuls nu vin mai repede de c fără acest efect. Cu toate acestea, viteza de grup poate depăși c în anumite părți ale fasciculului Gaussian în vid (fără atenuare). Difracția determină faptul că vârful impulsului se propagă mai repede, în timp ce puterea totală nu.

Expansiunea universului

Undele gravitaționale primordiale
Sursa https://en.wikipedia.org/wiki/File:History_of_the_Universe.svg

 (Istoria universului – undele gravitaționale sunt considerate că apar din inflația cosmică, o expansiune mai rapidă decât lumina imediat după Big Bang (17 martie 2014).)

Expansiunea universului face ca galaxiile îndepărtate să se depărteze de noi mai repede decât viteza luminii, dacă se utilizează distanța potrivită și timpul cosmologic pentru a calcula vitezele acestor galaxii. Cu toate acestea, în relativitatea generală, viteza este o noțiune locală, astfel încât viteza calculată folosind coordonatele comobile nu are nicio relație simplă cu viteza calculată la nivel local. Regulile care se aplică vitezelor relative în relativitatea specială, cum ar fi regula că vitezele relative nu pot crește peste viteza luminii, nu se aplică vitezelor relative în coordonate comobile, care sunt adesea descrise în termeni de „expansiune a spațiului” între galaxii. Această rată de expansiune se presupune că a atins punctul culminant în timpul perioadei inflaționiste considerate a fi apărut într-o mică fracțiune de secundă după Big Bang (modelele sugerează că perioada ar fi fost de la aproximativ 10-36 de secunde de la Big Bang până la 10-33 secunde), când universul s-ar putea să fi crescut rapid cu un factor de aproximativ 1020-1030.

Există multe galaxii vizibile în telescoape cu deplasarea spre roșu de 1,4 sau mai mari. Toate acestea se depărtează în prezent de noi la viteze mai mari decât viteza luminii. Deoarece parametrul Hubble scade cu timpul, pot exista de fapt cazuri în care o galaxie care se depărtează de noi mai repede decât lumina reușește să emită un semnal care este posibil să ajungă la noi.

Potrivit lui Tamara M. Davis, „Orizontul nostru efectiv al particulelor este fundalul cosmic de microunde, la deplasarea spre roșu z ~ 1100, deoarece nu putem vedea dincolo de suprafața ultimei împrăștieri. Deși ultima suprafață împrăștiată nu este la nici o coordonată comobilă fixă, viteza curentă de recesiune a punctelor din care a fost emis fundalul cosmic de microunde este 3,2c. În momentul emisiei viteza lor a fost de 58,1c. Astfel, observăm în mod obișnuit obiecte care se retrag mai rapid decât viteza luminii, iar sfera Hubble nu este un orizont.”

Cu toate acestea, deoarece expansiunea Universului se accelerează, se preconizează că majoritatea galaxiilor vor trece într-un anumit orizont de evenimente cosmologice în care orice lumină pe care o vor emite în trecut nu va putea ajunge niciodată în viitorul infinit, pentru că lumina nu atinge niciodată un punct în care „viteza deosebită” față de noi depășește viteza de expansiune față de noi. Distanța actuală la acest orizont al evenimentului cosmologic este de aproximativ 16 miliarde de ani-lumină, ceea ce înseamnă că un semnal de la un eveniment care se întâmplă în prezent ar putea să ne ajungă în viitor dacă evenimentul a fost mai mic de 16 miliarde de ani-lumină, semnalul nu ne-ar ajunge niciodată dacă evenimentul a fost la mai mult de 16 miliarde de ani-lumină distanță.

Observații astronomice

Mișcarea superluminică aparentă este observată în multe galaxii radio, blazare, quasari și, recent, și în microquasari. Efectul a fost prezis înainte de a fi observat de Martin Rees și poate fi explicat ca o iluzie optică cauzată de obiectul parțial în mișcare în direcția observatorului, atunci când calculele de viteză presupun că nu este așa. Fenomenul nu contrazice teoria relativității speciale. Calculele corecte arată că aceste obiecte au viteze apropiate de viteza luminii (în raport cu cadrul nostru de referință). Ele sunt primele exemple de cantități mari de masă care se mișcă aproape de viteza luminii. Laboratoarele legate de pământ au reușit să accelereze doar un număr mic de particule elementare la astfel de viteze.

Mecanica cuantică

Anumite fenomene în mecanica cuantică, cum ar fi inseparabilitatea cuantică, ar putea da impresia superficială că permit comunicarea informațiilor mai rapid decât lumina. Conform teoremei necomunicării, aceste fenomene nu permit comunicarea adevărată; ele doar lasă doi observatori în diferite locații să vadă același sistem simultan, fără nicio modalitate de a controla ceea ce vede fiecare. Colapsul funcției de undă poate fi privit ca un epifenomen al decoerenței cuantice, care, la rândul său, nu este altceva decât un efect al evoluției temporale locale a funcției de undă a unui sistem și a întregului său mediu. Deoarece comportamentul care stă la bază nu încalcă cauzalitatea locală sau nu permite comunicarea mai-iute-decât-lumina (MIL), rezultă că nici efectul suplimentar al colapsului funcției de undă nici nu este real sau evident.

Principiul incertitudinii implică faptul că fotonii individuali pot călători pe distanțe scurte la viteze ceva mai repede (sau mai lent) decât c, chiar și în vid; această posibilitate trebuie luată în considerare atunci când enumerăm diagramele Feynman pentru o interacțiune a particulelor. Cu toate acestea, sa arătat în 2011 că un singur foton nu poate călători mai repede decât c. În mecanica cuantică, particulele virtuale pot călători mai repede decât lumina, iar acest fenomen este legat de faptul că efectele câmpului static (care sunt mediate de particulele virtuale în termeni cuantici) pot călători mai repede decât lumina. Cu toate acestea, macroscopic aceste fluctuații sunt medii, astfel încât fotonii se deplasează în linii drepte pe distanțe lungi (adică, non-cuantic), și călătoresc cu viteza luminii în medie. Prin urmare, acest lucru nu implică posibilitatea transmiterii informațiilor superluminale.

Au existat diverse rapoarte în presa populară a experimentelor privind transmisia mai rapidă decât lumina în optică – cel mai adesea în contextul unui fenomen de tunel cuantic. De obicei, astfel de rapoarte tratează o viteză de fază sau o viteză de grup mai rapidă decât viteza în vid a luminii. Totuși, așa cum s-a menționat mai sus, o viteză de fază superluminală nu poate fi utilizată pentru transmiterea mai rapidă a informațiilor.

Efectul Hartman

Efectul Hartman este efectul de tunel printr-o barieră în care timpul de tunelare tinde spre o constantă pentru bariere mari. Acest lucru a fost descris pentru prima dată de Thomas Hartman în 1962. Aceasta ar putea fi, spre exemplu, diferența dintre două prisme. Atunci când prismele sunt în contact, lumina trece direct, dar când există un spațiu, lumina este refractată. Există o probabilitate diferită de zero ca fotonul să treacă tunelul peste decalaj, în loc să urmeze calea refractată. Pentru decalaje mari între prisme, timpul de tunelare se apropie de o constantă și astfel fotonii par să fi trecut cu o viteză superluminală.

Totuși, o analiză realizată de Herbert G. Winful de la Universitatea din Michigan sugerează că efectul Hartman nu poate fi folosit pentru a încălca relativitatea transmițând semnale mai repede decât c, deoarece timpul de tunelare „nu ar trebui să fie legat de o viteză, deoarece undele evanescente nu se propagă”. Undele evanescente din efectul Hartman se datorează particulelor virtuale și unui câmp static care nu se propagă, așa cum se menționează în secțiunile de mai sus pentru gravitație și electromagnetism.

Efectul Casimir

În fizică, efectul Casimir, sau forța Casimir-Polder, este o forță fizică exercitată între obiecte separate, datorită rezonanței energiei în vid în spațiul intervenit între obiecte. Acest lucru este descris uneori în termeni de particule virtuale care interacționează cu obiectele, datorită formei matematice a unei forme posibile de calcul al rezistenței efectului. Deoarece intensitatea forței scade rapid cu distanța, aceasta este măsurabilă numai când distanța dintre obiecte este extrem de mică. Deoarece efectul se datorează particulelor virtuale care intermediază un efect de câmp static, acesta este supus comentariilor despre câmpurile statice discutate mai sus.

Paradoxul EPR

Paradoxul EPR se referă la un celebru experiment de gândire al lui Einstein, Podolski și Rosen, realizat experimental pentru prima dată de Alain Aspect în 1981 și 1982 în experimentul Aspect. În acest experiment, măsurarea stării unuia dintre sistemele cuantice ale unei perechi încurcate aparent instantaneu forțează celălalt sistem (care poate fi îndepărtat) să fie măsurat în starea complementară. Cu toate acestea, nu se pot transmite astfel de informații; răspunsul la măsura în care măsurarea afectează sau nu efectele asupra celuilalt sistem cuantic ajunge la o interpretare a mecanicii cuantice.

Un experiment efectuat în 1997 de Nicolas Gisin de la Universitatea din Geneva a demonstrat corelații cuantice non-locale între particule separate la peste 10 kilometri. Dar, după cum am menționat mai devreme, corelațiile non-locale văzute în inseparabilitatea cuantică nu pot fi folosite pentru a transmite mai rapid informații clasice decât lumina, astfel încât se păstrează cauzalitatea relativistă. Un experiment de fizică cuantică efectuat de Nicolas Gisin și colegii săi din Geneva, Elveția, a stabilit că în orice teorie a variabilelor ascunse non-locale, viteza conexiunii cuantice non-locale (ceea ce Einstein numea „acțiune înfricoșătoare la distanță” ) este de cel puțin 10.000 de ori mai mare decât viteza luminii.

Ștergerea întârziată a alegerii cuantice

Ștergerea întârziată a alegerii cuantice (un experiment al lui Marlan Scully) este o versiune a paradoxului EPR în care observarea sau nu a interferenței după trecerea unui foton printr-un experiment cu fantă dublă depinde de condițiile de observare a unui al doilea foton în inseparabilitate cu primul. Caracteristica acestui experiment este că observarea celui de-al doilea foton poate avea loc mai târziu decât observarea primului foton, ceea ce poate da impresia că măsurarea fotonilor mai târziu „determină retroactiv” dacă fotonii anteriori prezintă interferențe sau nu, deși modelul de interferență poate fi văzut doar prin corelarea măsurătorilor ambilor membri ai fiecărei perechi și astfel nu poate fi observat până când ambii fotoni nu au fost măsurați, asigurându-se că un experimentator care privește doar fotonii care trec prin fanta nu obțin informații despre ceilalți fotoni într-un mod MIL sau înapoi în timp.

Lasă un răspuns

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