Prędkość nadświetlna
Prędkość nadświetlna — określenie dotyczące przemieszczania się obiektu fizycznego z prędkością większą niż prędkość światła.
Spis treści |
[edytuj] Zależność od ośrodka
[edytuj] Próżnia
Zgodnie ze szczególną teorią względności obiekty fizyczne o niezerowej (dodatniej) masie spoczynkowej (ciała, tardiony) nie mogą się poruszać z prędkością równą lub większą od prędkości światła w próżni. Oznacza to, iż prędkość nadświetlna jest nieosiągalna nie ze względu na brak wynalezionej technologii umożliwiającej taką podróż a ze względu na samą naturę wszechświata.
Z prędkością równą prędkości światła w próżni poruszają się obiekty fizyczne o zerowej masie spoczynkowej (luksony) np. fotony.
Prędkość większą od prędkości światła w próżni mogą osiągać zjawiska nieprzenoszące informacji ani energii (np. cień, prędkość fazowa fali) i nie zaprzecza to szczególnej teorii względności.
Hipotetycznej cząstce elementarnej, która porusza się z prędkością większą niż prędkość światła w próżni nadano nazwę tachion.
[edytuj] Substancja
W ośrodku złożonym z cząstek o dodatniej masie spoczynkowej (substancji) np. wodzie, czy powietrzu światło porusza się wolniej, niż w próżni. Do tych substancji można „wstrzelić” cząstki poruszające się szybciej niż światło w tej substancji, ale wolniej niż prędkość światła w próżni. W takiej sytuacji mówi się o prędkości nadświetlnej w substancji. Poruszanie się cząstek z prędkością nadświetlną w substancji powoduje charakterystyczne świecenie, znane jako promieniowanie Czerenkowa.
[edytuj] Mechanika kwantowa
Nierelatywistyczna mechanika kwantowa (podobnie jak mechanika klasyczna) nie zajmuje się zagadnieniami dotyczącymi ruchu obiektów materialnych z prędkościami relatywistycznymi, a zatem osiągnięcie prędkości nadświetlnej nie jest sprzeczne z jej formalizmem. Równanie Schrödingera, będące podstawą mechaniki kwantowej, nie jest zgodne ze szczególną teorią względności (relatywistycznie niezmiennicze są równania Kleina-Gordona i Diraca). Nierelatywistyczna mechanika kwantowa uwzględnia tylko poprawki relatywistyczne związane z masą, energią i innymi wielkościami. Próba rozwiązania tego problemu była jedną z podstawowych motywacji do stworzenia teorii pól kwantowych.
Przy użyciu stanów splątanych można teleportować stany cząstek pomiędzy dowolnie odległymi od siebie punktami. Warto zauważyć, że nie można w ten sposób przesyłać żadnych obiektów materialnych (takich jak atomy), a jedynie ustalać stany kwantowe obiektów już znajdujących się na miejscu.
Zgodnie z przewidywaniami mechaniki kwantowej zjawisku temu nie towarzyszy żadne opóźnienie zależne od odległości. Przez długi czas uważano to za zjawisko sprzeczne z teorią względności (paradoks EPR). W latach 60. XX wieku John Stewart Bell pokazał, że takiej sprzeczności nie ma (twierdzenie Bella), a sam proces nie może być wykorzystany do przekazywania żadnych informacji z prędkością nadświetlną. W teorii metoda ta jest wykorzystywana w kryptografii kwantowej do równoległego generowania w dwóch oddalonych punktach identycznych kluczy do szyfru w taki sposób, aby nikt z zewnątrz nie był w stanie ich odczytać.
[edytuj] Fantastyka naukowa
Prędkość nadświetlna jest jednym z najpopularniejszych pojęć umieszczanych w literaturze science-fiction. Większość pomysłów dotyczących tego tematu to tylko pseudonaukowe spekulacje, niepotwierdzone naukowymi faktami.
Choć rozpędzenie ciał do prędkości większej od prędkości światła jest niemożliwe (wymaga w miarę zbliżania się do prędkości światła coraz większego nakładu energii, rosnącego do nieskończoności), zajmuje się nią wiele osób z pogranicza nauki i pseudonauki. Odkrycie sposobów na osiągnięcie prędkości nadświetlnej mogłoby być bardzo ważnym krokiem dla rozwoju ludzkości. Już wewnątrz Układu Słonecznego opóźnienie w przesyłaniu informacji jest istotnym ograniczeniem. Jeżeli kiedyś ludzie postawią nogę na Marsie, to my na Ziemi dowiemy się o tym najwcześniej po ok. trzech minutach (odległość Ziemi do Marsa wynosi od 3 do 20 minut świetlnych). Tyle czasu potrzeba falom radiowym na pokonanie tej drogi. Tak wielkie opóźnienie bardzo utrudnia prowadzenie międzyplanetarnych rozmów na żywo, sterowanie urządzeniami. Dopiero komunikacja z prędkością nadświetlną jest szansą, aby „zadzwonić” na Marsa.
Inne gwiazdy odległe są od nas o całe lata świetlne. Osiągnięcie prędkości zbliżonej do prędkości światła jest bardzo kosztowne, wymaga zużycia ogromnych ilości paliwa. Nawet w takiej sytuacji podróż na inną podobną do Ziemi planetę mogłaby zająć setki lat dla obserwatora na ziemi. Dzięki dylatacji czasu i skróceniu Lorentza statek kosmiczny pokonujący odległości międzygwiazdowe z prędkością zbliżoną do światła mógłby pozwolić na dotarcie do odległych ciał niebieskich w ciągu ludzkiego życia (dla obserwatora na statku). Jak widać osiąganie prędkości nadświetlnych dla eksploracji kosmosu nie jest konieczne, byłoby konieczne jedynie w celu przekazu informacji pomiędzy planetami.
Przykładowe sposoby podróżowania szybciej niż światło w SF to:
