Prędkość nadświetlna

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Przejdź do nawigacji Przejdź do wyszukiwania
Szczególna teoria względności
Sr1.svg
Zasada względności
Prędkość światła w próżni
Transformacja Lorentza

Prędkość nadświetlnaprędkość większa niż prędkość światła.

Zależność od ośrodka[edytuj | edytuj kod]

Próżnia[edytuj | edytuj kod]

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 natomiast obiekty fizyczne o zerowej masie spoczynkowej (luksony) np. fotony, a 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. Cząstki takie również nie mogłyby przekraczać prędkości światła, lecz byłyby zawsze od niego szybsze.

Substancja[edytuj | edytuj kod]

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 naładowanych z prędkością nadświetlną w substancji powoduje charakterystyczne świecenie, znane jako promieniowanie Czerenkowa.

Mechanika kwantowa[edytuj | edytuj kod]

 Osobny artykuł: teleportacja 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 m.in. 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. 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). Splątanie nie może być wykorzystane do przekazywania żadnych informacji z prędkością nadświetlną. 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.

Wykazano, że zakaz komunikacji z prędkością nadświetlną wyklucza deterministyczne modyfikacje równania Schroedingera[1] i większość modyfikacji postulatu Borna[2]. Implikuje również natychmiastowość kolapsu funkcji falowej[3]. Komunikacja nadświetlna byłaby możliwa, gdyby istniały pomiary nieskutkujące kolapsem[4].

Fantastyka naukowa[edytuj | edytuj kod]

Prędkość nadświetlna jest popularnym pojęciem w literaturze science-fiction. Większość pomysłów dotyczących tego tematu to tylko pseudonaukowe spekulacje, niepotwierdzone naukowymi faktami. 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 informacja o tym fakcie dotrze do Ziemi najwcześniej po ok. trzech minutach (odległość Ziemi do Marsa wynosi od 3 do 20 minut świetlnych). Tyle czasu potrzeba, aby fale radiowe pokonały tę drogę w jedną stronę. Opóźnienie to utrudnia prowadzenie międzyplanetarnych rozmów na żywo oraz zdalne sterowanie urządzeniami. Komunikacja z prędkością nadświetlną byłaby szansą na przełamanie tych ograniczeń.

W fantastyce naukowej prędkość nadświetlna umożliwia pokonywanie w krótkim czasie dystansów międzygwiezdnych i międzygalaktycznych. W rzeczywistości pokonanie tak dużych odległości trwałoby (z perspektywy obserwatora pozostającego na Ziemi) zawsze więcej lat, niż liczba lat świetlnych określająca pokonywany dystans, a ponadto wymagałoby zużycia bardzo dużych ilości paliwa. Z drugiej strony czas na pokładzie poruszającego się statku kosmicznego biegnie inaczej, niż w miejscu, z którego ów statek wystartował. Dzięki dylatacji czasu i skróceniu Lorentza możliwe jest pokonanie przez statek kosmiczny odległości kilkuset lat świetlnych w czasie (mierzonym na statku) dowolnie krótkim, zależnym tylko od prędkości poruszania się statku w stosunku do prędkości światła (w praktyce, jedynym ograniczeniem jest zatem szybkość rozpędzania się, czyli osiągalne przyspieszenie)[potrzebny przypis]. Jak widać, osiąganie prędkości nadświetlnych dla eksploracji dalekich obszarów kosmosu nie jest konieczne, jednak informacja zwrotna o osiągniętych wynikach badań dotrze do ziemi po czasie zbyt długim, by pomysłodawcy badania dożyli jego rezultatów.

Zobacz też[edytuj | edytuj kod]

Przypisy[edytuj | edytuj kod]

  1. N. Gisin, Weinberg's non-linear quantum mechanics and supraluminal communications, „Physics Letters A”, 143 (1-2), 1990, s. 1–2, DOI10.1016/0375-9601(90)90786-n, ISSN 0375-9601 [dostęp 2018-09-10].
  2. Bassam Helou, Yanbei Chen, Extensions of Born’s rule to non-linear quantum mechanics, some of which do not imply superluminal communication, „Journal of Physics: Conference Series”, 880 (1), 2017, s. 012021, DOI10.1088/1742-6596/880/1/012021, ISSN 1742-6596 [dostęp 2018-09-10] (ang.).
  3. M. G. M. Moreno, Alejandro Fonseca, Márcio M. Cunha, Finite-time collapse process and non-local correlations are incompatible with non-signaling theories, „arXiv:1809.00383 [quant-ph]”, 2 września 2018, arXiv:1809.00383 [dostęp 2018-09-10].
  4. Scott Aaronson i inni, The Space Just Above BQP, ACM, 14 stycznia 2016, s. 271–280, DOI10.1145/2840728.2840739, ISBN 978-1-4503-4057-1 [dostęp 2018-09-10].