Fenomene care se propagă mai repede decât viteza luminii
Albert Einstein a postulat că lumina se deplasează cu aceeași viteză peste tot în Univers și a stabilit că viteza luminii în vid este o viteză limită.
Viteza luminii în vid este de 299.792 kilometri pe secundă, suficient de mare pentru ca lumina să înconjoare Pământul de opt ori într-o secundă.
Înainte de Einstein, masa atomilor, care compun toată materia vizibilă, și energia erau considerate entități separate.
În anul 1905, Einstein a schimbat pentru totdeauna modul cum fizicienii înţeleg Universul.
Teoria relativității restrânse a lui Einstein stabileşte o legătură între masă și energie sub forma unei ecuații fundamentale E = mc2.
Această ecuație simplă prezice că niciun obiect având masă nu se poate mișca la fel de repede ca lumina sau mai repede. Pe Pământ, cele mai mari viteze au fost înregistrate în interiorul acceleratoarelor moderne de particule, cum ar fi Large Hadron Collider și Tevatron.
Particulele subatomice ating în aceste acceleratoare o viteză de 99,99% din viteza luminii, dar, aşa cum explică David Gross, laureat al Premiului Nobel pentru Fizică, aceste particule nu vor atinge niciodată viteza luminii.
Pentru ca acest lucru să fie posibil, ar fi nevoie de o cantitate infinită de energie, iar masa obiectului accelerat ar deveni infinită, ceea ce este imposibil. Motivul pentru care particulele de lumină, denumite fotoni, se deplasează cu viteza luminii este acela că aceste particule nu au masă.
Fizicienii au descoperit că, în anumite condiţii, se pot atinge viteze mai mari decât viteza luminii. Chiar dacă aceste fenomene nu contrazic teoria relativităţii speciale a lui Einstein, ele ne oferă o perspectivă fascinantă asupra comportamentului ciudat al luminii și al lumii cuantice.
Boomul de lumină sau echivalentul boomului sonic
Atunci când obiectele se deplasează mai repede decât viteza sunetului, ele generează un boom sonic. Deci, în teorie, dacă ceva se deplasează mai repede decât viteza luminii atunci ar trebui să se producă ceva de genul unui boom de lumină.
Radiaţia Cerenkov. Credit: Pieck Darío/Wikimedia
Acest boom de lumină se produce zilnic. Este vorba de radiația Cerenkov, care poate fi observată ca o strălucire de culoare albastră în interiorul reactoarelor nucleare, așa cum se poate vedea în imaginea de mai sus.
Radiația Cerenkov a fost descoperită de Pavel Alexeevici Cerenkov, un fizician rus care a măsurat-o pentru prima dată în anul 1934 și care a primit Premiul Nobel în anul 1958 pentru descoperirea sa.
Radiația Cerenkov rezultă atunci când o particulă încărcată electric, de regulă un electron, depășește viteza cu care se propagă lumina în mediul prin care trece. Radiația Cerenkov poate fi observată în jurul reactoarelor nucleare care sunt scufundate în apă pentru a fi menţinute reci.
În apă, lumina se deplasează cu 75% din viteza pe care o atinge în vid, dar electronii generaţi în timpul reacțiilor nucleare se deplasează prin apă mai repede decât lumina.
Particulele, precum acești electroni care depășesc viteza luminii în apă sau în alt mediu, cum ar fi sticla, creează o undă de șoc similară undei de șoc dintr-un boom sonic.
Atunci când o rachetă, de exemplu, se deplasează prin aer se generează unde de presiune care se propagă cu viteza sunetului și cu cât viteza rachetei se apropie mai mult de bariera sunetului, cu atât mai mult se comprimă undele sonore care produc astfel un boom sonic puternic.
În mod similar, atunci când electronii se deplasează prin apă la viteze mai mari decât viteza luminii în apă, ei generează o undă de șoc luminoasă care strălucește uneori sub formă de lumină albastră.
Chiar dacă aceste particule se deplasează mai repede decât lumina în apă, ele nu depăşesc viteza luminii în vid.
Inflația cosmică
Rețineți că teoria relativității speciale a lui Einstein afirmă că niciun obiect având masă nu poate depăşi viteza luminii.
Ce se poate spune despre particulele fără masă?
Fotonii, prin însăși natura lor, nu pot depăși viteza luminii, dar fotonii nu sunt singurele particule fără masă din Univers.
Spațiul gol sau vidul nu conține materie și prin urmare nu are masă.
„Din moment ce spațiul gol sau vidul nu conţine materie, acesta se poate extinde mai repede decât viteza luminii”, a declarat astrofizicianul Michio Kaku pe Big Think.
Fizicienii cred că acest lucru s-a întâmplat imediat după Big Bang, în timpul inflației cosmice, o etapă din evoluţia Universului. Această ipoteză a fost propusă de fizicienii Alan Guth și Andrei Linde în anii 1980.
Fizicienii cred că în timpul inflaţiei cosmice s-a produs o expansiune exponențială a Universului şi prin urmare marginea exterioară a Universului s-a extins cu o viteză mai mare decât viteza luminii.
Inseparabilitatea cuantică
„Conform teoriei cuantice, doi electroni aflaţi suficient de aproape unul de altul pot vibra la unison”, explică Kaku pe Big Think.
Dacă separăm acești electroni, astfel încât aceştia să se afle la sute sau chiar mii de ani-lumină distanţă, ei vor păstra o legătură între ei prin care la orice acțiune efectuată asupra unei particule, cealaltă particulă pereche va răspunde instantaneu.
„Vibraţia unui electron va fi simţită de celălalt electron în mod instantaneu, mai repede decât viteza luminii. Einstein a crezut că acest lucru dovedeşte netemeinicia teoriei cuantice, deoarece nimic nu se poate deplasa mai repede decât lumina”, a scris Kaku.
Einstein s-a referit la acest fenomen ca la o „acţiune înfricoşătoare la distanţă”.
În anul 1935, Einstein, Boris Podolsky și Nathan Rosen au încercat să arate că teoria cuantică este greşită. În mod ironic, lucrarea lor a pus bazele a ceea ce azi este cunoscut sub numele de paradoxul EPR (Einstein-Podolsky-Rosen), un paradox care descrie această comunicare instantanee între particulele inseparabile cuantic.
Inseparabilitatea cuantică este în prezent parte integrantă a unora dintre cele mai avansate tehnologii din lume, cum ar fi criptografia cuantică.
Găurile de vierme
Găurile de vierme, cunoscute şi drept „poduri” Einstein-Rosen, sunt soluții teoretice ale ecuațiilor teoriei generale a relativității care descriu continuumul spațiu-timp. Ele reprezintă o metodă teoretică prin care două zone îndepărtate din Univers sunt unite între ele printr-o scurtătură. În consecinţă, din punct de vedere teoretic, am putea călători aproape instantaneu dintr-un loc în altul.
În anul 1988, fizicianul Kip Thorne, consultant științific și producător executiv pentru filmul Interstellar, a folosit ecuațiile relativităţii generale a lui Einstein pentru a prezice posibilitatea efectuării unor călătorii pe distanţe mari prin Univers cu ajutorul găurilor de vierme.
Problema o reprezintă faptul că pentru a fi traversabile aceste găuri de vierme trebuie să conţină o materie exotică care să le menţină deschise. Această materie exotică, care nu trebuie confundată cu materia întunecată sau cu antimateria, conține o densitate de energie negativă şi existenţa ei este prevăzută de teoria câmpului cuantic.
„Este uimitor că această materie exotică poate exista, grație fizicii cuantice”, scrie Thorne în cartea sa The Science of Interstellar.
Această materie exotică a fost produsă în laboratoarele oamenilor de ştiinţă, dar în cantități foarte mici.
Când Thorne a propus teoria găurilor de vierme stabile, în anul 1988, el a solicitat ajutorul comunităţii ştiinţifice pentru a determina dacă în Univers ar putea exista o cantitate suficientă de materie exotică care să mențină deschise aceste găuri de vierme.
„Deşi au fost efectuate numeroase cercetări, în prezent, după aproape 30 de ani, răspunsul este încă necunoscut. Cu toate acestea, suntem încă departe de un răspuns final”, concluzionează Thorne.
Sursă: ScienceAlert