In september 2011 schokte natuurkundige Antonio Ereditato de wereld. Zijn verklaring zou ons begrip van het universum op zijn kop kunnen zetten. Als de gegevens die door de 160 OPERA-wetenschappers waren verzameld correct waren, werd het ongelooflijke waargenomen. Deeltjes - in dit geval neutrino's - bewogen sneller dan licht. Volgens Einsteins relativiteitstheorie is dit onmogelijk. En de gevolgen van zo'n observatie zouden ongelooflijk zijn. Misschien zouden de fundamenten van de natuurkunde moeten worden herzien.
Hoewel Ereditato zei dat hij en zijn team "buitengewoon vertrouwen" hadden in hun resultaten, zeiden ze niet dat de gegevens volkomen nauwkeurig waren. Integendeel, ze vroegen andere wetenschappers om hen te helpen uitzoeken wat er aan de hand was.
Uiteindelijk bleek dat de OPERA-resultaten niet klopten. Een slecht aangesloten kabel veroorzaakte een synchronisatieprobleem en de signalen van de GPS-satellieten waren onnauwkeurig. Er was een onverwachte vertraging in het signaal. Als gevolg hiervan lieten metingen van de tijd die neutrino's nodig hadden om een bepaalde afstand af te leggen 73 nanoseconden extra: het leek erop dat de neutrino's sneller vlogen dan het licht.
Ondanks maanden van onderzoek voordat het experiment werd gestart en de gegevens daarna dubbel gecontroleerd, hadden de wetenschappers het ernstig mis. Ereditato nam ontslag, in tegenstelling tot de opmerkingen van velen dat dergelijke fouten altijd optraden vanwege de extreme complexiteit van het apparaat van deeltjesversnellers.
Waarom veroorzaakte de aanname - alleen de aanname - dat iets sneller dan licht zou kunnen bewegen zo'n geluid? Hoe zeker zijn we dat niets deze barrière kan overwinnen?
Laten we eerst naar de tweede van deze vragen kijken. De lichtsnelheid in een vacuüm is 299.792.458 kilometer per seconde - gemakshalve is dit aantal afgerond naar 300.000 kilometer per seconde. Het is best snel. De zon bevindt zich 150 miljoen kilometer van de aarde en het licht ervan bereikt de aarde in slechts acht minuten en twintig seconden.
Kan een van onze creaties meedoen aan de race tegen licht? Een van de snelste door mensen gemaakte objecten ooit gebouwd, de New Horizons ruimtesonde zoefde in juli 2015 langs Pluto en Charon. Hij bereikte een snelheid ten opzichte van de aarde van 16 km / s. Veel minder dan 300.000 km / s.
We hadden echter kleine deeltjes die heel snel bewogen. Begin jaren zestig experimenteerde William Bertozzi van het Massachusetts Institute of Technology met het versnellen van elektronen tot nog hogere snelheden.
Promotie video:
Omdat elektronen een negatieve lading hebben, kunnen ze worden versneld - meer bepaald afgestoten - door dezelfde negatieve lading op het materiaal aan te brengen. Hoe meer energie wordt toegevoerd, hoe sneller de elektronen versnellen.
Je zou denken dat je gewoon de toegepaste energie hoeft te verhogen om te accelereren tot een snelheid van 300.000 km / s. Maar het blijkt dat elektronen gewoon niet zo snel kunnen bewegen. Bertozzi's experimenten lieten zien dat het gebruik van meer energie niet leidt tot een recht evenredige toename van de snelheid van elektronen.
In plaats daarvan moesten enorme hoeveelheden extra energie worden toegepast om de snelheid van de elektronen zelfs maar een klein beetje te veranderen. Het kwam steeds dichter bij de lichtsnelheid, maar het bereikte het nooit.
Stel je voor dat je in kleine stapjes naar de deur loopt, die elk de helft van de afstand van je huidige positie naar de deur afleggen. Strikt genomen kom je nooit bij de deur, want na elke stap die je zet, heb je een afstand te overbruggen. Bertozzi had ongeveer met zo'n probleem te maken bij het omgaan met zijn elektronen.
Maar licht bestaat uit deeltjes die fotonen worden genoemd. Waarom kunnen deze deeltjes met de lichtsnelheid bewegen, maar elektronen niet?
"Naarmate objecten sneller en sneller bewegen, worden ze zwaarder - hoe zwaarder ze worden, hoe moeilijker het voor ze is om te versnellen, zodat je nooit de snelheid van het licht haalt", zegt Roger Rassoul, een natuurkundige aan de Universiteit van Melbourne in Australië. “Een foton heeft geen massa. Als hij massa had, zou hij niet met de snelheid van het licht kunnen bewegen."
Fotonen zijn bijzonder. Ze missen niet alleen massa, waardoor ze volledige bewegingsvrijheid hebben in het vacuüm van de ruimte, ze hoeven ook niet te versnellen. De natuurlijke energie die ze tot hun beschikking hebben, beweegt zich in golven, net als ze doen, dus op het moment van creatie hebben ze al maximale snelheid. In zekere zin is het gemakkelijker om licht te zien als energie dan als een stroom deeltjes, hoewel licht in werkelijkheid beide is.
Licht reist echter veel langzamer dan we zouden verwachten. Terwijl internettechnici het graag hebben over communicatie die werkt met de "snelheid van het licht" in glasvezel, reist licht 40% langzamer in het glas van die vezel dan in een vacuüm.
In werkelijkheid reizen fotonen met een snelheid van 300.000 km / s, maar ze ondervinden een bepaalde hoeveelheid interferentie, interferentie veroorzaakt door andere fotonen die worden uitgezonden door de glasatomen wanneer de hoofdlichtgolf passeert. Dit is misschien niet gemakkelijk te begrijpen, maar we hebben het tenminste geprobeerd.
Op dezelfde manier was het in het kader van speciale experimenten met individuele fotonen mogelijk om ze behoorlijk indrukwekkend te vertragen. Maar in de meeste gevallen zal het aantal van 300.000 geldig zijn. We hebben niets gezien of gemaakt dat zo snel of zelfs sneller zou kunnen gaan. Er zijn speciale punten, maar voordat we ze bespreken, laten we eerst onze andere vraag bespreken. Waarom is het zo belangrijk dat de lichtsnelheidsregel strikt wordt gevolgd?
Het antwoord heeft te maken met een man genaamd Albert Einstein, zoals vaak het geval is in de natuurkunde. Zijn speciale relativiteitstheorie onderzoekt de vele gevolgen van zijn universele snelheidslimieten. Een van de belangrijkste elementen van de theorie is het idee dat de lichtsnelheid constant is. Het maakt niet uit waar je bent of hoe snel je beweegt, licht beweegt altijd met dezelfde snelheid.
Maar dit heeft verschillende conceptuele problemen.
Stel je voor dat licht van een zaklamp op een spiegel aan het plafond van een stilstaand ruimtevaartuig valt. Het licht gaat omhoog, wordt weerkaatst door de spiegel en valt op de vloer van het ruimtevaartuig. Stel dat hij een afstand van 10 meter aflegt.
Stel je nu voor dat dit ruimtevaartuig begint te bewegen met een enorme snelheid van vele duizenden kilometers per seconde. Wanneer je de zaklamp aanzet gedraagt het licht zich als voorheen: het schijnt naar boven, valt op de spiegel en wordt weerkaatst op de vloer. Maar om dit te doen, zal het licht een diagonale afstand moeten afleggen, niet een verticale. De spiegel beweegt nu immers snel met het ruimtevaartuig.
Dienovereenkomstig neemt de afstand die het licht aflegt toe. Laten we zeggen 5 meter. Het blijkt in totaal 15 meter te zijn, niet 10.
Ondanks dit, hoewel de afstand is toegenomen, beweren Einsteins theorieën dat licht nog steeds met dezelfde snelheid zal bewegen. Aangezien snelheid de afstand is gedeeld door de tijd, aangezien de snelheid hetzelfde blijft en de afstand toeneemt, moet de tijd ook toenemen. Ja, de tijd zelf moet rekken. Hoewel het vreemd klinkt, is het experimenteel bevestigd.
Dit fenomeen wordt tijddilatatie genoemd. De tijd gaat langzamer voor mensen die zich in snel bewegende voertuigen verplaatsen, vergeleken met degenen die stilstaan.
De tijd gaat bijvoorbeeld 0,007 seconden langzamer voor astronauten op het internationale ruimtestation, dat met 7,66 km / s beweegt ten opzichte van de aarde, in vergelijking met mensen op de planeet. Nog interessanter is de situatie met deeltjes zoals de eerder genoemde elektronen, die dichtbij de lichtsnelheid kunnen reizen. Bij deze deeltjes zal de vertragingsgraad enorm zijn.
Stephen Colthammer, een experimenteel natuurkundige aan de Universiteit van Oxford in het VK, wijst op een voorbeeld van deeltjes die muonen worden genoemd.
Muonen zijn onstabiel: ze vervallen snel tot eenvoudigere deeltjes. Zo snel dat de meeste muonen die de zon verlaten zouden moeten vervallen tegen de tijd dat ze de aarde bereiken. Maar in werkelijkheid komen muonen vanaf de zon naar de aarde in kolossale volumes. Natuurkundigen hebben lang geprobeerd uit te zoeken waarom.
"Het antwoord op dit mysterie is dat muonen worden opgewekt met zoveel energie dat ze zich verplaatsen met snelheden die dicht bij het licht liggen", zegt Kolthammer. "Hun gevoel voor tijd, om zo te zeggen, hun interne klok loopt langzaam."
Muonen "overleven" langer dan verwacht ten opzichte van ons, dankzij de huidige, natuurlijke kromming van de tijd. Wanneer objecten snel bewegen ten opzichte van andere objecten, neemt ook hun lengte af, krimpt ze. Deze gevolgen, tijddilatatie en afname van de lengte, zijn voorbeelden van hoe de ruimtetijd verandert afhankelijk van de beweging van dingen - ik, jij of een ruimtevaartuig - die massa hebben.
Wat belangrijk is, zoals Einstein zei, heeft geen invloed op het licht, aangezien het geen massa heeft. Daarom gaan deze principes hand in hand. Als objecten sneller dan licht zouden kunnen bewegen, zouden ze fundamentele wetten gehoorzamen die beschrijven hoe het universum werkt. Dit zijn de belangrijkste principes. Nu kunnen we het hebben over een paar uitzonderingen en afwijkingen.
Enerzijds, hoewel we niets sneller dan het licht hebben zien bewegen, betekent dit niet dat deze snelheidslimiet theoretisch niet onder zeer specifieke omstandigheden kan worden overschreden. Neem bijvoorbeeld de uitbreiding van het universum zelf. Melkwegstelsels in het heelal bewegen zich veel sneller van elkaar af dan licht.
Een andere interessante situatie betreft deeltjes die tegelijkertijd dezelfde eigenschappen hebben, ongeacht hoe ver van elkaar verwijderd zijn. Dit is de zogenaamde "kwantumverstrengeling". Het foton zal op en neer roteren, willekeurig kiezen uit twee mogelijke toestanden, maar de keuze van de draairichting zal nauwkeurig reflecteren op het andere foton elders als ze verstrengeld zijn.
Twee wetenschappers, die elk hun eigen foton bestuderen, zullen tegelijkertijd hetzelfde resultaat krijgen, sneller dan de lichtsnelheid zou toelaten.
In beide voorbeelden is het echter belangrijk op te merken dat geen enkele informatie sneller dan de lichtsnelheid tussen twee objecten reist. We kunnen de uitdijing van het heelal berekenen, maar we kunnen objecten daarin niet sneller dan licht waarnemen: ze zijn uit het gezichtsveld verdwenen.
Wat betreft de twee wetenschappers met hun fotonen, hoewel ze tegelijkertijd hetzelfde resultaat konden krijgen, konden ze elkaar dit niet sneller laten weten dan het licht tussen hen in reist.
"Dit is voor ons geen enkel probleem, want als je signalen sneller dan licht kunt verzenden, krijg je bizarre paradoxen volgens welke informatie op de een of andere manier terug in de tijd kan reizen", zegt Kolthammer.
Er is nog een andere manier om reizen sneller dan het licht technisch mogelijk te maken: scheuren in de ruimte-tijd waardoor de reiziger de regels van normaal reizen zou kunnen omzeilen.
Gerald Cleaver van Baylor University in Texas gelooft dat we op een dag misschien een ruimtevaartuig kunnen bouwen dat sneller reist dan het licht. Die beweegt door een wormgat. Wormgaten zijn loops in ruimte-tijd die perfect passen in Einsteins theorieën. Ze zouden een astronaut van het ene uiteinde van het universum naar het andere kunnen laten springen met behulp van een anomalie in de ruimtetijd, een of andere vorm van kosmische snelkoppeling.
Een object dat door een wormgat reist, zal de lichtsnelheid niet overschrijden, maar zou in theorie zijn bestemming sneller kunnen bereiken dan licht dat langs het "normale" pad reist. Maar wormgaten zijn misschien helemaal niet toegankelijk voor ruimtevaart. Is er een andere manier om de ruimtetijd actief te vervormen om sneller dan 300.000 km / s te rijden ten opzichte van iemand anders?
Cleaver onderzocht ook het idee van een "Alcubierre-motor", voorgesteld door theoretisch fysicus Miguel Alcubierre in 1994. Hij beschrijft een situatie waarin de ruimtetijd zich voor het ruimtevaartuig samentrekt, het naar voren duwt en erachter uitzet, en het ook naar voren duwt. 'Maar toen,' zegt Cleaver, 'ontstonden er problemen: hoe het te doen en hoeveel energie er nodig zou zijn.'
In 2008 berekende hij en zijn afstudeerder Richard Aubosie hoeveel energie er nodig zou zijn.
"We stelden ons een ruimtevaartuig van 10m x 10m x 10m voor - 1.000 kubieke meter - en berekenden dat de hoeveelheid energie die nodig is om het proces te starten, gelijk zou zijn aan de massa van een hele Jupiter."
Daarna moet de energie constant worden "gegoten" zodat het proces niet stopt. Niemand weet of dit ooit mogelijk zal zijn, of hoe de vereiste technologieën eruit zullen zien. "Ik wil al eeuwen niet geciteerd worden als iets dat nooit zal gebeuren", zegt Cleaver, "maar ik zie nog geen oplossingen."
Sneller reizen dan de lichtsnelheid blijft dus op dit moment een fantasie. Tot dusverre is de enige manier om tijdens het leven een exoplaneet te bezoeken, een diep onderbroken animatie te ondergaan. En toch is het niet allemaal slecht. In de meeste gevallen hadden we het over zichtbaar licht. Maar in werkelijkheid is licht veel meer. Van radiogolven en microgolven tot zichtbaar licht, ultraviolette straling, röntgenstralen en gammastralen die worden uitgezonden door atomen terwijl ze vervallen, deze prachtige stralen bestaan allemaal uit hetzelfde: fotonen.
Het verschil zit in energie, dat wil zeggen in golflengte. Samen vormen deze stralen het elektromagnetische spectrum. Het feit dat radiogolven bijvoorbeeld reizen met de snelheid van het licht, is ongelooflijk handig voor communicatie.
In zijn onderzoek creëert Kolthammer een circuit dat fotonen gebruikt om signalen van het ene deel van het circuit naar het andere over te brengen, dus hij verdient het recht om commentaar te geven op het nut van de ongelooflijke snelheid van het licht.
"Alleen al het feit dat we de infrastructuur van bijvoorbeeld internet hebben gebouwd en daarvoor de radio op basis van licht, heeft te maken met het gemak waarmee we het kunnen verzenden", merkt hij op. En hij voegt eraan toe dat licht fungeert als de communicatiekracht van het universum. Wanneer de elektronen in een mobiele telefoon gaan trillen, vliegen fotonen naar buiten en zorgen ervoor dat de elektronen in de andere mobiele telefoon ook gaan trillen. Dit is hoe een telefoontje wordt geboren. De trillingen van elektronen in de zon zenden ook fotonen uit - in enorme hoeveelheden - die natuurlijk het licht vormen dat het leven op aarde warmte geeft en, ahem, licht.
Licht is de universele taal van het universum. Zijn snelheid - 299.792.458 km / s - blijft constant. Ondertussen zijn ruimte en tijd kneedbaar. Misschien moeten we niet nadenken over hoe we sneller dan het licht kunnen bewegen, maar hoe we sneller door deze ruimte en deze keer kunnen bewegen? Om bij de wortel te rijpen, om zo te zeggen?
