FizikaNemoguceg

MicioKaku-112Može li se putovati brže od svetlosti?

U nekoliko nastavaka objavljujemo poglavlje "Brže od svetlosti" iz knjige Fizika nemogućeg, jednog od vodećih fizičara današnjice, Mičio Kakua.


 

< | 1 | 2 | 3 | 4 | >

11 - BRŽE OD SVETLOSTI

Rupe u ajnštajnovoj teoriji

Fizičari decenijama pokušavaju da nađu rupe u Ajnštajnovom čuvenom diktumu. Neke rupe su otkrivene, ali većina nije previše korisna. Na primer, ako neko pređe svetlošću lampe preko neba, slika svetlosnog zraka, u načelu, može da premaši brzinu svetlosti. U nekoliko sekundi, slika bleska se pomera od jedne tačke na horizontu do suprotne tačke, prelazeći udaljenost koja se može protegnuti i na stotine svetlosnih godina. Ali ovo nije važno, pošto se pomoću slike svetlosnog zraka nijedna informacija ne može preneti brže od svetlosti. Slika svetlosnog zraka premašuje brzinu svetlosti, ali ta slika ne nosi nikakvu energiju niti informaciju.

Sličan primer su makaze: tačka u kojoj se sečiva ukrštaju kreće se brže što je više udaljena od tačke u kojoj su sečiva spojena. Kada bi makaze bile duge jednu svetlosnu godinu, pri sklapanju makaza tačka ukrštanja sečiva kretala bila bi se brže od svetlosti. (Ni ovo nije važno, jer tačka ukrštanja ne nosi nikakvu energiju niti informaciju.)

Slično tome, kao što sam pomenuo u poglavlju 4, EPR eksperiment omogućava da se informacija šalje brže od svetlosti. Setimo se da u tom eksperimentu dva elektrona zajedno vibriraju, a potom se šalju u suprotnim smerovima. Pošto su ti elektroni koherentni, informacija se između njih može poslati brzinom većom od svetlosne, ali ta informacija je nasumična, samim tim i beskorisna. Zato se EPR mašine ne mogu koristiti za slanje sondi do dalekih zvezda.

Za najvažniju rupu zaslužan je Ajnštajn lično, jer je 1915. godine osmislio opštu relativnost, teoriju moćniju od specijalne teorije relativnosti. Na ideju o opštoj relativnosti Ajnštajn je došao razmišljajući o dečjoj vrtešci. Kao što smo ranije videli, objekti se smanjuju kako se približavaju brzini svetlosti. Što se brže krećete, sve ste sabijeniji. Ali spoljašnji obim diska koji se obrće kreće se brže od centra. (Centar je, zapravo, gotovo nepomičan.) To znači da lenjir na obodu mora da se sažme, dok lenjir postavljen u centru ostaje gotovo isti, tako da površina vrteške nije više ravna, već zakrivljena. Dakle, prostor i vreme na vrtešci menjaju se usled ubrzanja.

U opštoj teoriji relativnosti prostorvreme je tkanje koje može da se razvlači i skuplja. Pod određenim okolnostima, tkanje se može razvući brže od svetlosti. Prisetimo se samo Velikog praska, kada je pre 13,7 milijardi godina u kosmičkoj eksploziji rođen svemir. Moguće je pro-računima pokazati da se svemir na početku širio brzinom većom od svetlosne. (To ne narušava specijalnu relativnost, pošto se širio prazan svemir između zvezda, a ne same zvezde. Kada se širi prazan prostor ne prenose se nikakve informacije.)

Važno je istaći da specijalna relativnost važi samo lokalno, odnosno u vašem neposrednom okruženju. U našem lokalnom susedstvu (na primer, u Sunčevom sistemu), specijalna relativnost važi, što potvrđuju merenja svemirskim sondama. Ali globalno (na primer, u kosmološkim razmerama, odnosno na nivou kosmosa) moramo da primenjujemo opštu relativnost. U opštoj relativnosti, prostorvreme postaje tkanje, a to tkanje ima sposobnost da se rasteže brže od svetlosti. Moguće su i rupe u prostoru koje su prečice kroz prostor i vreme.

S tim na umu, mogli bismo zaključiti da opšta relativnost omogućava da se putuje brže od svetlosti. To može da se postigne na dva načina.

1. Rastezanje prostora. Ako biste rastegli prostor iza sebe i dosegli prostor ispred sebe, stekli biste privid da ste se pomerali brže od svetlosti. Zapravo, uopšte se ne biste kretali, ali prostor je deformisan, što znači da do udaljene zvezde možete stići za tren oka.

2. Paranje prostora. Godine 1935, Ajnštajn je uveo koncept crvotočine. Zamislite Alisino ogledalo, magičnu napravu koja povezuje idilični Oksford sa Zemljom čuda. Crvotočina je mehanizam koji spaja dva svemira. U osnovnoj školi su nas učili da je prava linija najkraće rastojanje između dve tačke. Ali to nije nužno tačno – ako bismo uvijali list papira dok se ne dodirnu dve tačke, videli bismo da je najkraće rastojanje između dve tačke zapravo crvotočina.

Fizičar Met Viser s Vašingtonskog univerziteta kaže: „Fizičari koji se bave relativistikom počeli su da razmišljaju o tome šta bi bilo potrebno da se nešto kao varp pogon ili crvotočina premesti iz domena naučne fantastike u realnost.“

Ser Martin Ris, Kraljevski astronom Velike Britanije, čak kaže: „Crvotočine, dodatne dimenzije i kvantni računari dobra su osnova za spekulativne scenarije koji bi naš čitav svemir mogli da eventualno preobraze u životvorni.“

Alkubijereov pogon i negativna energija

Najbolji primer prostora koji se rasteže je Alkubijereov pogon koji je osmislio fizičar Migel Alkubijere 1994. godine. Naučnik se oslanjao na Ajnštajnovu teoriju gravitacije. Njegov pogon vrlo je sličan pogonskom sistemu iz Zvezdanih staza. Pilot takov svemirskog broda morao bi da bude unutar mehura (zvanog varp mehur) u kome je sve naizgled normalno, čak i kad letelica probije svetlosnu barijeru. Zapravo, pilot bi mislio da miruje. Ipak, izvan varp mehura nastala bi ekstremna izobličenja prostorvremena kako se prostor ispred varp mehura sažima. Rastezanja vremena ne bi bilo, tako da bi u varp mehuru vreme normalno proticalo.

Alkubijere dopušta da su Zvezdane staze uticale na njegovo rešenje. „U Zvezdanim stazama se stalno govorilo o varp pogonu, odnosno o ideji da se svemir iskrivljuje“, kaže on. „Već smo imali teoriju o tome kako prostor može ili ne može da se izobliči: to je opšta teorija relativnosti. Razmišljao sam o tome da bi ove koncepte na neki način trebalo iskoristiti da se vidi kako bi radio varp pogon.“ Verovatno je tad prvi put televizija inspirisala na rešenje jedne od Ajnštajnovih jednačina.

Alkubijere zaključuje da bi putovanje u svemirskom brodu po njegovom predlogu podsećalo na vožnju Milenijumskim sokolom u Zvezdanim ratovima. „Mislim da bi oni verovatno videli nešto vrlo slično tome. Ispred broda zvezde bi postale duge linije, pruge. Pozadi, ne bi videli ništa izuzev crnila, jer svetlost zvezda ne bi mogla da se kreće dovoljno brzo da ih sustigne“.

Ključni element Alkubijereovog pogona je energija neophodna da se svemirski brod kreće brzinama većim od svetlosne. Fizičari obično polaze od pozitivne količine energije kako bi pokrenuli svemirski brod koji se uvek kreće sporije od svetlosti. Da bi se ostvario pomak od ove strategije i omogućilo putovanje brže od svetlosti, potrebno je promeniti gorivo. Jednostavan proračun pokazuje da je potrebna negativna masa ili negativna energija koje bi se, ukoliko uopšte postoje, mogle proglasiti i najegzotičnijim entitetima u svemiru. Fizičari su tradicionalno negativnu energiju i negativnu masu gurali u domen naučne fantastike. Ali sada vidimo da su neophodne za putovanja brža od svetlosti, i da možda i postoje.

Naučnici su tragali za negativnom materijom u prirodi, ali za sada bez uspeha. (Antimaterija i negativna materija su dva potpuno različita pojma. Antimaterija postoji i ima pozitivnu energiju, ali suprotno

naelektrisanje. Postoji li negativna materija još uvek nije dokazano.) Negativna materija bila bi vrlo neobična, jer bi bila lakša od ništavila. Zapravo, lebdela bi. Da je negativna materija postojala u ranom svemiru, odlebdela bi u dubine svemira. Za razliku od meteora koji se obrušavaju na planete privučeni njihovom gravitacijom, negativna materija bi bežala od planeta. Velika tela poput zvezda i planeta ne bi je privlačila, nego bi je odbijala. Iako negativna materija možda postoji, možemo da je očekujemo samo duboko u svemiru, a nikako na Zemlji.

Jedan od predloženih načina nalaženja negativne materije duboko u svemiru oslanja se na fenomen Ajnštajnovih sočiva. Kada svetlost putuje oko zvezde ili galaksije, gravitacija će iskriviti putanju svetlosti, u skladu s opštom relativnošću. Godine 1912. (i pre nego što je do kraja oformio opštu relativnost), Ajnštajn je izneo mogućnost da bi se galaksije mogle ponašati kao sočiva teleskopa. Prolazeći oko obližnje galaksije, svetlost od udaljenih objekata bi konvergirala kao usled uticaja sočiva, formirajući karakterističnu prstenastu sliku kada napokon dosegne Zemlju. Ovi fenomeni se zovu Ajnštajnovi prstenovi. Godine 1979. prvi put je u spoljnom svemiru opaženo Ajnštajnovo sočivo. Od tada su Ajnštajnova sočiva nezamenljiva alatka za astronome. Na primer, nekad se mislilo da je nemoguće locirati tamnu materiju u spoljnom svemiru. Tamna materija je nevidljiva misteriozna supstanca koja ima težinu. Okružuje galaksije i možda je ima i deset puta više nego obične materije u kosmosu. Ali, naučnici NASA su uspeli da naprave mape tamne materije, jer ona poput čaše savija svetlost u neposrednoj blizini.

Dakle, trebalo bi da je moguće pomoću Ajnštajnovih sočiva tražiti tamnu materiju i crvotočine u dalekom svemiru. Trebalo bi da krive svetlost na poseban način što bi se moglo videti kroz Hablov teleskop. Do sada nismo detektovali negativu materiju niti crvotočine u dalekom svemiru pomoću Ajnštajnovih sočiva, ali potraga se nastavlja. Ukoliko jednog dana Hablov teleskop registruje negativnu materiju ili crvotočinu pomoću Ajnštajnovih sočiva, biće to veliki šok za fizičare.

Negativna energija se od negativne materije razlikuje po tome što zaista postoji, ali u majušnim količinama. Godine 1933. Hendrik Kazimir je izneo krajnje čudno predviđanje vodeći se zakonima kvantne teorije. Tvrdio je da će se dve nenaelektrisane metalne ploče, kao nekom magijom, privlačiti. Normalne, međusobno paralelne ploče miruju, pošto nisu naelektrisane. Ali vakuum između te dve ploče nije prazan, već je pun virtuelnih čestica, koje se pojavljuju i nestaju.

U vrlo kratkim intervalima, ni iz čega se stvaraju parovi elektronantielektron, zatim se anihiliraju i nestaju u vakuumu. Prostor za koji se nekad smatralo da je apsolutno prazan, vrvi od kvantne aktivnosti. Naravno, reklo bi se da nagle pojave materije i antimaterije narušavaju zakon održanja energije. Ali zbog principa neodređenosti ta sićušna narušavanja izuzetno kratko žive, te se energija održava u proseku.

Kazimir je otkrio da će oblak virtuelnih čestica stvoriti pozitivan pritisak u vakuumu. Prostor između dve paralelne ploče je sužen, te je i pritisak nizak. Ali pritisak van ploča nije ograničen i veći je, tako da rezultujući pritisak gura ploče jednu ka drugoj.

Normalno bi bilo da u situaciji kada ove dve ploče miruju i daleko su jedna od druge imamo stanje nulte energije. Ali kako se ploče približavaju, moguće je izdvojiti energiju od njih. Dakle, pošto se od ploča uzima kinetička energija, energija ploča je manja od nule.

Ova negativna energija je i izmerena u laboratoriji 1948. godine, i rezultati su potvrdili Kazimirovo predviđanje. Dakle, negativna energija i Kazimirov efekat nisu više naučna fantastika već priznata činjenica. Međutim, problem je u tome što je Kazimirov efekat vrlo malog intenziteta, te da bi se ova energija opazila u laboratoriji potrebna je istančana, vrhunska merna oprema. (U načelu, Kazimirova energija obrnuto je srazmerna četvrtom stepenu udaljenosti između ploča. Znači, što je manja udaljenost, veća je energija.) Kazimirov efekat precizno je izmerio Stiven Lamoro u Nacionalnoj laboratoriji Los Alamos 1996. godine: privlačna sila iznosila je oko 1/30.000 težine mrava.

Otkad je Alkubijere izneo svoju teoriju, fizičari su otkrili brojna čudna svojstva. Ljudi u svemirskom brodu su kauzalno odvojeni od spoljnog sveta. To znači da ne možete tek tako po nahođenju pritisnuti dugme i putovati brže od svetlosti. Ne možete da komunicirate kroz mehur. Neophodno je da postoji unapred određeni „autoput“ kroz prostor i vreme, kao što postoji unapred određen red vožnje po kom se kreću vozovi. Prema tome, svemirski brod ne bi bio uobičajen brod kome se po želji menja smer i brzina. Svemirski brod bi zapravo bio poput putničkog automobila koji vozi na talasu komprimovanog prostora, klizeći po koridoru zakrivljenog prostorvremena. Alkubijere zaključuje: „Potreban bi nam bio niz generatora egzotične materije duž puta, kakav je autoput, koji uobličuje prostor za vas na sinhronizovan način.“

Zapravo, moguće je naći i čudnija rešenja Ajnštajnovih jednačina. Po Ajnštajnovim jednačinama, ako znate masu ili energiju, možete da izra-čunate zakrivljenje prostorvremena koje će ta masa ili energija izazvati

(isto kao što kada bacite kamen u jezero, možete proračunati talase koji će nastati). Ali jednačine možete da rešite i unatrag. Možete da počnete s bizarnim prostorvremenom kao iz neke epizode Zone sumraka. (Na primer, u ovim svemirima možete da otvorite vrata i da se nađete na Mesecu. Mogli biste da optrčite drvo i da se nađete u prošlosti, sa srcem na desnoj strani tela.) Potom možete da izračunate raspodelu materije i energije pridruženu datom prostorvremenu. (To znači da, počevši od bizarnog skupa talasa na površini jezera, možete u koracima unatrag da izračunate neophodnu raspodelu kamenja koja bi izazvala takvo prostorvreme). Na taj način je Alkubijere izveo svoje jednačine. Počeo je s prostorvremenom konsistentnim s brzinom većom od svetlosne, a potom je, proračunavajući unatrag, došao do energije potrebne da bi se došlo do takvog prostorvremena.

< | 1 | 2 | 3 | 4 | >

Ajnštajn gubutnik ¦ Crvotočine i crne rupe

Prikaz knjige Fizika nemogućegFizikaNemoguceg-104

Mičio Kaku
Fizika nemogućeg
420 strana
Cena u knjžarama: 1296 dinara
Cena kod izdavača: 990 dinara
Cena preko AM:
strelica_desno 890 dinara
(u cenu su uračunati troškovi pakovanja i isporuke)

sakabd RASPRODATO

Komentari   
smiley
0 #5 smiley 11-09-2014 01:13
ja bio do frizera, on ima bas takve svetlosne makaze, kaze da ih kupio kod kvantnih kineza ali su ga kostale dosta pa mu se stvorila crvotocina u novcaniku... verovatno je onda sve ovo istina, mada mene vise interesuje gde da nadjem vakuum kavurmu i negativni cvarci..
smiley
0 #4 smiley 11-09-2014 01:09
ja bio do frizera, on ima bas takve svetlosne makaze, kaze da ih kupio kod kvantnih kineza ali su ga kostale dosta pa mu se stvorila crvotocina u novcaniku... verovatno je onda sve ovo istina, mada mene vise interesuje gde da nadjem vakuum kavurmu i negativni cvarci.
Aleksandar Zorkić
0 #3 Aleksandar Zorkić 28-12-2011 22:46
U datom primeru same makaze se ne kreću. Kreće se samo tačka u kojoj se sečiva presecaju. Pročitajte ponovo.
Aleksandar Zorkić
0 #2 Aleksandar Zorkić 28-12-2011 00:40
Na žalost, primer sa makazama niste najbolje shvatili. Razmislite ponovo.
2. Kažete: "ali je znaci tacno da Ajnstajna razumeju samo 3 ljudi......tko je treci?????? ". To nije tačno. Radi se o anegdoti od pre više decenija koju ste vi bukvalno shvatili. Doduše, u ono vreme je zaista jako mali broj naučnik shvatao o čemu Ajnštajn govori.
Zorancho
0 #1 Zorancho 27-12-2011 11:07
nikako nije tacno...makaze nece putovati brze od svjetlosti vec ce se prostor iskriviti i svi djelovi makaza ce putovati brzinom svjetolosti.... . ima josh toga ali ostavimo to za drugi puta,ali je znaci tacno da Ajnstajna razumeju samo 3 ljudi......tko je treci??????
a sve je tako lako razumjeti...... .
Dodaj komentar