Top 5 historii o przekraczaniu prędkości światła

Queen - Don't Stop Me Now

Notka z dawna planowana na tę okazję – 1500 polubień facebookowego profilu. Wielkie dzięki tej półtoratysięcznej grupie, resztę czytających zachęcam do kliknięcia po prawej stronie.


Istnieje szereg zjawisk, którym towarzyszy pozorne łamanie fizycznego limitu prędkości światła. Do tej notki całkowicie subiektywnie wybrałem pięć „historyjek”, niektóre pokazują jak nieintuicyjny jest świat, inne (mam nadzieję) naprostują pewne kwestie. Liczę, że wszystkie będą po prostu ciekawe.


1. Nadświetlne dżety kwazarów

W centrum kwazarów znajdują się supermasywne czarne dziury. Materia wirująca wokół nich ulega jonizacji i działa jak kosmiczny akcelerator cząsteczek, wyrzucając dżety z kolosalnymi prędkościami. Jak kolosalnymi? Pomiar pozycji plazmy wrzuconej przez kwazar 3C 273 w dwóch punktach czasu wykazał, że porusza się ona z ponad dziewięciokrotną prędkością światła! Jak to możliwe? Odpowiedź jest prosta – to nie jest możliwe.

Dżet został wyrzucony pod dość ostrym kątem, częściowo w naszym kierunku, nie prostopadle do naszej linii wzroku. W tym momencie można chwycić się za głowę – w takim razie widzimy tylko prostopadłą składową jego ruchu, czyli porusza się pewnie kilkanaście razy szybciej niż światło! Nie. Iluzja wynika z tego, że światło wyemitowane wcześniej musi pokonać dłuższą drogę niż światło wyemitowane później.

Załóżmy, że bardzo odległy dżet plazmy porusza się z punktu A do B z ogromną prędkością. Wpierw emituje światło w naszym kierunku z punktu A. Gdy dociera do punktu B w czasie t1, światło, które emituje ma bliżej do Ziemi, więc zafałszuje nasz pomiar. Grają tu dwa czynniki – po pierwsze z Ziemi nie potrafimy prosto odróżnić punktu A od C, innymi słowy łatwo jest przekłamać odległość jaką przebyła plazma. Po drugie to, że światło pochodzące z punktu B zmierzyliśmy rok po obserwacji światła z punktu A, nie oznacza, że emisję światła rzeczywiście dzielił rok – fotony z punktu A miały do przebycia dłuższą drogę, zajęło im to dłużej. W rzeczywistości ruch plazmy z punktu A do B trwał dłużej, innymi słowy rzeczywista prędkość znacznie mniejsza.

Wystarczy by plazma poruszała się z prędkością 0.9 c pod kątem 30’ do obserwatora, by wyglądało tak jakby gnała dwa razy szybciej od prędkości światła. Dla zainteresowanych – wyprowadzenie wzoru na Wikipedii.


2. Neutrina szybsze od fotonów

W 1987 roku zaobserwowano wybuch supernowej, którą adekwatnie nazwano SN 1987A. Trzy godziny przed tym jak dostrzeżono rozbłysk, obserwatoria neutrin zanotowały ogromną falę tych cząsteczek. W przypadku neutrin oznacza to wychwycenie dokładnie 24 cząsteczek.

Wniosek? Neutrina poruszają się szybciej niż światło! Oczywiście nic podobnego. Rozwiązanie zagadki ma związek z tym dlaczego „wielka fala neutrin” to raptem 24 wykrycia w detektorach. Cząsteczki te oddziałują tak niewyobrażalnie słabo, że gdybyśmy mieli blok ołowiu długi na rok świetlny, mógłby on zablokować jedynie 50% neutrin, które by przez niego przechodziły.

Dlatego gdy nastąpiła zapaść i eksplozja gwiazdy, neutrina pomknęły w kosmos, fotony natomiast przez długie godziny były emitowane i absorbowane przez niewyobrażalnie gęsty ośrodek zanim wyrwały się w próżnię i pomknęły w kierunku Ziemi. Neutrina nie poruszają się szybciej, miały tylko wcześniejszy start.


3. Świetlne echa

W 2002 roku gwiazda zmienna V838 Monocerotis rozświetliła i rozepchnęła otoczkę dawno odrzuconej materii. W ciągu kilku miesięcy „skorupka” rozrosła się z rozmiaru 4 do 7 lat świetlnych. Czyżby? Jeśli dotarliście do tego miejsca, to pewnie już się domyślacie, że tak nie jest.

To efekt tak zwanego echa świetlnego i kolejna geometryczna sztuczka, która sprawia, że wydaje nam się, że obserwujemy łamanie podstawowych reguł fizyki. W rzeczywistości jednak efekt wynika właśnie z ograniczonej prędkości światła i różnych długości, które musiały przebyć fotony by dotrzeć do Ziemi. W efekcie obrazy wydarzeń rozdzielonych sporym czasem docierają do nas w krótszych odstępach. Żeby nie powtarzać pierwszego punktu zostawię Was z tą spektakularną animacją.


4. Neutrina po raz drugi

Nie wypada nie wspomnieć tu o (nie)sławnym eksperymencie OPERA, w którym zmierzono prędkość neutrin większą od prędkości światła. To tak naprawdę przypowiastka o beznadziejnym dziennikarstwie. Naukowcy publikując wyniki od początku zastrzegali, że nie twierdzą, że neutrina poruszają się szybciej niż światło. Wręcz apelowali o wsparcie środowiska naukowego w poszukiwaniach błędu.

Mimo to media z miejsca odtrąbiły pokonanie teorii Einsteina, rewolucję w świecie fizyki i co tam jeszcze. Kiedy udało się stwierdzić, że wszystko spowodował luźny światłowód, naukowcy CERNu stali się pośmiewiskiem głównie w oczach ludzi, którzy nie mieli najmniejszego pojęcia o fizyce czy inżynierii. Więcej o historii tutaj.


5. Uciekające galaktyki – historia prawdziwa

Wszechświat się rozszerza. I to coraz szybciej. Wszystkie niezwiązane ze sobą grawitacyjnie galaktyki oddalają się od siebie (niezwiązane, bo w gromadach bywa różnie – np. Andromeda jest na kursie kolizyjnym z Drogą Mleczną).

Im dalej znajduje się galaktyka, tym większa jest jej prędkość „ucieczki”. Wszechświat jest tak duży, że niektóre z nich oddalają się od nas z prędkością większą niż prędkość światła. I tym razem to nie jest iluzja, błąd ani sztuczka. One naprawdę oddalają się z nadświetlną prędkością.

Co zatem z „nieprzekraczalną” prędkością światła? Trik polega na tym, że te galaktyki nie poruszają się z nadświetlną prędkością. To przestrzeń pomiędzy się rozrasta. Nie jest to gra słówek. Ruch w tym wypadku nie jest względny, bo na te obiekty nie działa siła bezwładności, która uniemożliwiłaby osiągnięcie prędkości światła. Wszechświat w którym materia i informacja nie może zostać rozpędzona powyżej pewnego limitu sam go obchodzi rozpychając przestrzeń. Niemożliwe okazuje się tylko pozornie niemożliwe.


Źródła:
3C 273 i jego dżet - Chandra X-ray observatory
V838 Monocerotis - Hubble Space Telescope
Superluminal Motion
Analyzing the Universe - świetny kurs prof. Terry A. Matilsky'ego z Rugers University