Μπορεί κάτι να ταξιδέψει πιο γρήγορα από την ταχύτητα του φωτός;

Όταν το φως δεν βρίσκεται στο κενό, εξακολουθεί να ισχύει ο κανόνας;
Ali Kahfi via Getty Images

Το 1676, μελετώντας την κίνηση του φεγγαριού του Δία Io, ο Δανός αστρονόμος Όλε Ρέμερ υπολόγισε ότι το φως ταξιδεύει με πεπερασμένη ταχύτητα. Δύο χρόνια αργότερα, βασιζόμενος σε δεδομένα που συγκέντρωσε ο Ρέμερ, ο Ολλανδός μαθηματικός και επιστήμονας Κρίστιαν Χόυχενς έγινε ο πρώτος άνθρωπος που προσπάθησε να προσδιορίσει την πραγματική ταχύτητα του φωτός, σύμφωνα με το Αμερικανικό Μουσείο Φυσικής Ιστορίας στη Νέα Υόρκη.

Ο Χούχενςυπολόγισε έναν αριθμό, 211.000 χιλιόμετρα ανά δευτερόλεπτο, αριθμός που δεν είναι ακριβής με τα σημερινά πρότυπα - τώρα γνωρίζουμε ότι η ταχύτητα του φωτός στο «κενό»* είναι περίπου 299.792 χιλιόμετρα ανά δευτερόλεπτο) - αλλά η εκτίμησή του έδειξε ότι το φως ταξιδεύει με απίστευτη ταχύτητα.

Σύμφωνα με τη θεωρία της ειδικής σχετικότητας του Άλμπερτ Αϊνστάιν, το φως ταξιδεύει τόσο γρήγορα που, στο κενό, τίποτα στο σύμπαν δεν είναι ικανό να κινηθεί πιο γρήγορα.

«Δεν μπορούμε να κινηθούμε μέσα στο κενό του διαστήματος πιο γρήγορα από την ταχύτητα του φωτός», επιβεβαίωσε ο Τζέισον Κάσιμπρι, αναπληρωτής καθηγητής αεροδιαστημικής μηχανικής στο Κέντρο Έρευνας Προώθησης του Πανεπιστημίου της Αλαμπάμα στο Χάντσβιλ.

Η ερώτηση απαντήθηκε, σωστά; Μάλλον όχι. Όταν το φως δεν βρίσκεται στο κενό, εξακολουθεί να ισχύει ο κανόνας;

«Τεχνικά, η δήλωση «τίποτα δεν μπορεί να ταξιδέψει γρηγορότερα από την ταχύτητα του φωτός» δεν είναι από μόνη της σωστή», τουλάχιστον σε περιβάλλον χωρίς κενό, είπε η Κλόντια Ντε Ραμ, θεωρητική φυσικός στο Ιμπίριαλ Κόλετζ του Λονδίνου, στο Live Science, σε μήνυμα ηλεκτρονικού ταχυδρομείου. Αλλά υπάρχουν ορισμένες επιφυλάξεις που πρέπει να ληφθούν υπόψη, είπε.

Το φως παρουσιάζει τόσο σωματιδιακά όσο και κυματικά χαρακτηριστικά, και επομένως μπορεί να θεωρηθεί και ως σωματίδιο (φωτόνιο) και ως κύμα. Αυτό είναι γνωστό ως δυαδικότητα κύματος-σωματιδίου.

Εάν δούμε το φως ως κύμα, τότε υπάρχουν «πολλοί λόγοι» για τους οποίους ορισμένα κύματα μπορούν να ταξιδεύουν ταχύτερα από το λευκό (ή άχρωμο) φως σε ένα μέσο, ​​είπε η Κλόντια Ντε Ραμ. Ένας τέτοιος λόγος, είπε, είναι ότι «καθώς το φως ταξιδεύει μέσα από ένα μέσο - για παράδειγμα, γυαλί ή σταγονίδια νερού - οι διαφορετικές συχνότητες ή τα χρώματα του φωτός ταξιδεύουν με διαφορετικές ταχύτητες».

Το πιο προφανές οπτικό παράδειγμα αυτού εμφανίζεται στα ουράνια τόξα, τα οποία έχουν συνήθως τα μακρά, ταχύτερα κόκκινα μήκη κύματος στην κορυφή και τα μικρά, πιο αργά ιώδη μήκη κύματος στο κάτω μέρος, σύμφωνα με μια ανάρτηση από το Πανεπιστήμιο του Γουισκόνσιν-Μάντισον.

Όταν το φως ταξιδεύει μέσα από ένα κενό, ωστόσο, δεν ισχύει το ίδιο.

«Όλο το φως είναι ένας τύπος ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων και όλα έχουν την ίδια ταχύτητα στο κενό (3 x 10^8 μέτρα ανά δευτερόλεπτο). Αυτό σημαίνει ότι τόσο τα ραδιοκύματα όσο και οι ακτίνες γάμμα έχουν την ίδια ταχύτητα,» είπε ο Ρετ Αλλαιν, φυσικός καθηγητής στο Πανεπιστήμιο Σάουθγουέστ Λουιζιάνα, στο Live Science.

Έτσι, σύμφωνα με την Κλόντια Ντε Ραμ, το μόνο πράγμα που μπορεί να ταξιδεύει πιο γρήγορα από την ταχύτητα του φωτός είναι, κάπως παράδοξα, το ίδιο το φως, αν και μόνο όταν δεν βρίσκεται στο κενό του διαστήματος. Αξίζει να σημειωθεί ότι, ανεξάρτητα από το μέσο, ​​το φως δεν θα υπερβεί ποτέ τη μέγιστη ταχύτητά του των 299.792.458 ανά δευτερόλεπτο.

Σύμφωνα με τον Τζέισον Κάσιμπρι, ωστόσο, υπάρχει κάτι άλλο που πρέπει να λάβετε υπόψη όταν συζητάτε πράγματα που κινούνται ταχύτερα από την ταχύτητα του φωτός.

«Υπάρχουν μέρη του σύμπαντος που διαστέλλονται μακριά από εμάς πιο γρήγορα από την ταχύτητα του φωτός, επειδή ο χωροχρόνος διαστέλλεται», είπε.

Για παράδειγμα, το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble εντόπισε πρόσφατα φως ηλικίας 12,9 δισεκατομμυρίων ετών από ένα μακρινό αστέρι γνωστό ως Earendel. Όμως, επειδή το σύμπαν διαστέλλεται σε κάθε σημείο, το Earendel απομακρύνεται από τη Γη και βρίσκεται από τότε που σχηματίστηκε, έτσι ο γαλαξίας απέχει τώρα 28 δισεκατομμύρια έτη φωτός από τη Γη.

.
.
NASA’s Hubble Space Telescope

Σε αυτή την περίπτωση, ο χωροχρόνος διαστέλλεται, αλλά το υλικό στον χωρόχρονο εξακολουθεί να ταξιδεύει εντός των ορίων της ταχύτητας του φωτός.

Είναι ξεκάθαρο ότι τίποτα δεν ταξιδεύει γρηγορότερα από το φως που γνωρίζουμε, αλλά υπάρχει κάποια κατάσταση όπου μπορεί να είναι δυνατό; Η θεωρία της ειδικής σχετικότητας του Αϊνστάιν, και η επακόλουθη θεωρία της γενικής σχετικότητας, «χτίστηκε με βάση την αρχή ότι οι έννοιες του χώρου και του χρόνου είναι σχετικές», είπε η Κλόντια Ντε Ραμ. Τι σημαίνει όμως αυτό; «Αν κάποιος [ήταν] σε θέση να ταξιδέψει γρηγορότερα από το φως και να μεταφέρει πληροφορίες μαζί του, η αντίληψή του για το χρόνο θα ήταν στρεβλή σε σύγκριση με τη δική μας», είπε η Κλόντια Ντε Ραμ. «Θα μπορούσαν να υπάρξουν καταστάσεις όπου το μέλλον θα μπορούσε να επηρεάσει το παρελθόν μας και τότε ολόκληρη η δομή της πραγματικότητας θα πάψει να έχει νόημα».

Αυτό θα έδειχνε ότι πιθανώς δεν θα ήταν επιθυμητό να κάνουμε έναν άνθρωπο να ταξιδεύει ταχύτερα από την ταχύτητα του φωτός. Θα μπορούσε όμως ποτέ να γίνει; Θα υπάρξει ποτέ μια στιγμή που θα είμαστε σε θέση να δημιουργήσουμε σκάφη που θα μπορούσαν να προωθήσουν υλικά - και τελικά ανθρώπους - στο διάστημα με ρυθμό που ξεπερνά την ταχύτητα του φωτός; «Οι θεωρητικοί έχουν προτείνει διάφορους τύπους φυσαλίδων στημονιού που θα μπορούσαν να επιτρέψουν ταξίδια ταχύτερα από το φως», είπε ο Τζέισον Κάσιμπρι.

«Μπορούμε να φανταστούμε ότι μπορούμε να επικοινωνούμε με την ταχύτητα του φωτός με συστήματα εκτός του ηλιακού μας συστήματος», είπε η Κλόντια Ντε Ραμ. «Αλλά η αποστολή πραγματικών φυσικών ανθρώπων με την ταχύτητα του φωτός είναι απλά αδύνατο, γιατί δεν μπορούμε να επιταχύνουμε τον εαυτό μας σε τέτοια ταχύτητα.

«Ακόμη και σε μια πολύ ιδεαλιστική κατάσταση όπου φανταζόμαστε ότι θα μπορούσαμε να συνεχίσουμε να επιταχύνουμε με σταθερό ρυθμό - αγνοώντας πώς θα μπορούσαμε να φτάσουμε ακόμη και σε μια τεχνολογία που θα μπορούσε να μας επιταχύνει συνεχώς - δεν θα φτάναμε ποτέ στην ταχύτητα του φωτός», πρόσθεσε. «Θα μπορούσαμε να πλησιάσουμε, αλλά ποτέ να μην το φτάσουμε».

Αυτό είναι ένα σημείο που επιβεβαιώνει ο Τζέισον Κάσιμπρι. «Παραμελώντας τη σχετικότητα, αν επιταχύνατε με ρυθμό 1G [η βαρύτητα της Γης], θα σας έπαιρνε ένα χρόνο για να φτάσετε την ταχύτητα του φωτός. Ωστόσο, δεν θα φτάνατε ποτέ πραγματικά αυτή την ταχύτητα, επειδή καθώς αρχίζετε να πλησιάζετε την ταχύτητα φωτός, η ενέργεια της μάζας αυξάνεται, πλησιάζοντας στο άπειρο.

«Ένας από τους λίγους γνωστούς πιθανούς «κώδικες εξαπάτησης» για αυτόν τον περιορισμό είναι η επέκταση και η συστολή του χωροχρόνου, έλκοντας έτσι τον προορισμό σας πιο κοντά σας. Φαίνεται να μην υπάρχει θεμελιώδες όριο στον ρυθμό με τον οποίο ο χωροχρόνος μπορεί να διαστέλλεται ή να συστέλλεται, πράγμα που σημαίνει ότι μπορεί να να μπορέσετε να ξεπεράσετε αυτό το όριο ταχύτητας κάποια μέρα».

Ο Ρετ Αλλαιν είναι εξίσου πεπεισμένος ότι το να πάμε πιο γρήγορα από το φως δεν είναι πιθανό, αλλά, όπως ο Τζέισον Κάσιμπρι, σημείωσε ότι εάν οι άνθρωποι θέλουν να εξερευνήσουν μακρινούς πλανήτες, μπορεί στην πραγματικότητα να μην είναι απαραίτητο να επιτύχουν τέτοιες ταχύτητες.

«Ο μόνος τρόπος για να καταλάβουμε ότι πηγαίνουμε πιο γρήγορα από το φως θα ήταν να χρησιμοποιήσουμε κάποιο είδος σκουληκότρυπας στο διάστημα», είπε ο Ρετ Αλλαιν. «Αυτό στην πραγματικότητα δεν θα μας έκανε να πάμε πιο γρήγορα από το φως, αλλά αντίθετα θα μας έδινε μια συντόμευση σε κάποια άλλη τοποθεσία στο διάστημα».

Ο Τζέισον Κάσιμπρι, ωστόσο, δεν είναι σίγουρος εάν οι σκουληκότρυπες θα είναι ποτέ μια ρεαλιστική επιλογή.

«Οι σκουληκότρυπες θεωρείται ότι είναι δυνατές με βάση μια ειδική λύση στις εξισώσεις πεδίου του Αϊνστάιν», είπε. «Βασικά, οι σκουληκότρυπες, αν είναι δυνατόν, θα σας έδιναν μια συντόμευση από τον έναν προορισμό στον άλλο. Δεν έχω ιδέα αν είναι δυνατόν να κατασκευάσουμε έναν ή πώς θα το κάνουμε.»

―-

* 299.792.458 m/s (μέτρα το δευτερόλεπτο) σε μονάδες SI, δηλαδή κατά προσέγγιση 300.000 χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο ή σε επιστημονική μορφή 3·108m/s. Η ταχύτητα του φωτός στο «κενό» θεωρείται η μέγιστη ταχύτητα που μπορεί να αναπτυχθεί, όχι μόνο από το φως αλλά και από τα υπόλοιπα ηλεκτρομαγνητικά κύματα, άλλες μορφές μετάδοσης ενέργειας και από σωματίδια χωρίς μάζα.