Wiedza i Życie 04/2014
W numerze m.in.:
Technika
Globalna nawigacja; Wiesław B. Pietrzak
Kosmos
Na tropie cząstek widm; Przemek Berg
Język
Kobyła ma mały bok; Tadeusz Morawski
Botanika
Odchodożercy; Olga Orzyłowska-Śliwińska
Geografia (nie)historyczna
Którędy do raju?; Łukasz Malinowski    
Od wieków ludzie zastanawiali się, jak po śmierci zakonserwować ciało, by nie psuło się i dobrze wyglądało. Obecnie najlepszą metodą jest plastynacja. W epoce starożytnego Egiptu dysponowano jedynie naturalnymi ...
Zawód najemnika wojskowego to ponoć drugi najstarszy zawód świata. W ostatnich latach przeżywa prawdziwe odrodzenie – dzięki postępującej „prywatyzacji” wielu funkcji państwa, w tym także sektora usług związanych z zapewnieniem bezpieczeństwa.
Na początku było... jajo, tak przynajmniej wierzyli starożytni. W micie pelazgijskim (starożytna Grecja) z jaja, które złożyło boskie łono Eurynome, pochodzi wszystko, co istnieje. Z kolei w „Upaniszadach” z ...

Pojawiają się opinie, że w fizyce panuje kryzys czy też zastój. Czy wynika on z tego, że fizycy w swoich badaniach doszli do takiego progu abstrakcji, że tracą kontakt z realnym światem?

To prawdziwy przyrodniczy fenomen niemający swojego odpowiednika nigdzie indziej na Ziemi. 

Aktualne numery
08/2017
07/2017
Kalendarium
Sierpień
20
W 1885 r. Ernst Hartwig w Estonii zaobserwował S Andromedae w Galaktyce Andromedy - pierwszą supernową odkrytą w innej galaktyce.
Warto przeczytać
Medyczne skutki terroryzmu   Zapraszamy do zakupów  http://bit.ly/2oojdxb.    

WSPÓŁPRACUJEMY
Logowanie

Nazwa użytkownika

Hasło

Autor: Jarosław Chrostowski | dodano: 2012-06-13
Szybciej niż światło

Wszyscy wiemy, że nic nie może przekroczyć prędkości światła - i basta. Przecież tak uczą nas w szkołach! Problem w tym, że uczą źle.

Jest rok 1905. Albert Einstein w przełomowej pracy "Zur Elektrodynamik bewegter Körper" ("O elektrodynamice ciał w ruchu") pisze: "Każdy promień świetlny porusza się w 'spoczywającym' układzie współrzędnych ze stałą prędkością V, niezależnie od tego, czy został wyemitowany ze spoczywającego, czy z poruszającego się obiektu". Stwierdzenie to, leżące u podstaw szczególnej teorii względności, z czasem zyskało ogromną popularność. Dziś trudno uwierzyć, że były takie lata, gdy o teorii względności i jej konsekwencjach dyskutowano w każdej kawiarni.

Tłem wszystkich zdarzeń w szczególnej teorii względności jest czasoprzestrzeń. To złożony twór matematyczny, specjalnie skonstruowany w taki sposób, aby żaden istniejący w nim obiekt, obdarzony masą, nie mógł przekroczyć prędkości światła (którą dziś oznaczamy literą c). Naturalne jest więc pytanie, czy ten abstrakcyjny twór naprawdę może służyć do wiarygodnego opisu rzeczywistości? O tym można rozstrzygnąć tylko w jeden sposób: przez doświadczenia. Wszystkie eksperymenty i pomiary, które przeprowadziliśmy, potwierdziły założenia i przewidywania Einsteina. Teorie naukowe nie są jednak wdzięcznymi dziećmi dla swych twórców. Można przeprowadzić setki i tysiące doświadczeń i obserwacji utwierdzających w przekonaniu o słuszności teorii, wystarczy zaś tylko jeden pomiar, by ją obalić lub znacząco zredukować zakres jej stosowalności.

Rok 1981, 2 kwietnia. Okładka prestiżowego czasopisma naukowego "Nature" na pierwszy rzut oka wygląda jak spóźniony primaaprilisowy żart. Cztery zdjęcia, na wszystkich widać kwazar 3C273. Obiekt ten, leżący w tle gwiazdozbioru Panny, w odległości grubo ponad 2 mld lat świetlnych od Ziemi, jest silnym źródłem promieniowania radiowego i optycznie najjaśniejszym kwazarem (aktywną galaktyką) na naszym niebie. Zdjęcia na okładce "Nature" pokazują fazy ekspansji strugi wyrzuconej z kwazara. Pierwsze zdjęcie pochodzi z lipca 1977 roku, ostatnie - z lipca 1980. Widać, jak od głównego obiektu oddala się jasny obłok. Problem w tym, że na ostatnim zdjęciu obłok ten przesunął się względem położenia na pierwszej fotografii o 87 lat świetlnych. W trzy lata! Niezły wynik, prawda?

Blaski i cienie

otchłani kosmosu przenieśmy się na chwilę w przeszłość Ziemi. Mniej więcej 1,5 mln lat temu zamieszkujący środkowo-wschodnią Afrykę Homo erectus zdobył ogień. Nie wiemy, czy potrafił go już wtedy rozniecać. Zapewne początkowo tylko pieczołowicie przechowywał ogień powstały w wyniku zjawisk naturalnych. Nietrudno sobie wyobrazić radość tych prymitywnych ludzi, gdy udało im się rozpalić ognisko. Z pewnością musieli krzyczeć i tańczyć wokół niego, a ich postaci rzucały w czerń nocy długie cienie. Nie tylko na podłoże, także w przestrzeń kosmiczną.
Dziś cienie te znajdują się 1,5 mln lat świetlnych od Ziemi. Wyobraźmy sobie, że w tej właśnie odległości pojawiła się ściana, na której możemy je obserwować. Ma ona kształt sfery (z Ziemią w centrum), której obwód wynosi niemal 10 mln lat świetlnych. Przyjmijmy, że tańczący Homo erectus na okrążenie ogniska potrzebował 10 s. Ile czasu zużyje jego cień, aby zakreślić pełny krąg na naszej gigantycznej sferze, a więc by przebyć 10 mln lat świetlnych? Również 10 s. A to oznacza, że porusza się z prędkością 30 bilionów razy większą od prędkości światła!

Wyjaśnienie tej sprzeczności jest proste. Fizyczny sens ograniczenia prędkości światła w teorii względności jest bowiem związany z przepływem informacji. Informacja to coś, co możemy przekazać z jednego punktu do drugiego, np. za pomocą masy (wysyłamy list) lub energii (wysyłamy impuls światła) - i to prędkość tego przesyłu podlega znanemu wszystkim ograniczeniu. Przypatrzmy się natomiast cieniowi, krążącemu wokół Drogi Mlecznej. Na naszej ścianie byłoby go widać, ponieważ w określone miejsce (ciągle inne) nie docierają fotony wyemitowane z ogniska. Sygnały świetlne podróżują tu jednak wyłącznie między Ziemią a ścianą i nigdy nie przekraczają prędkości światła. A sam cień? Jest tylko kolektywnym złudzeniem. Za jego pomocą nie da się przekazać żadnej informacji z jednego punktu ściany do drugiego, bo punkty te niczym się nie wymieniają.

Jak oszukuje czasoprzestrzeń

rzykład z cieniami okrążającymi Wszechświat nie jest tak abstrakcyjny, jak mogłoby się wydawać. Współczesna astronomia ten sam efekt wykorzystuje do wykrywania planet pozasłonecznych, które przechodząc - z punktu widzenia ziemskiego obserwatora - przed tarczą gwiazdy, powodują jej chwilowe pociemnienie. Wówczas, przez moment, Ziemia staje się cegiełką w ścianie pozwalającej obserwować cień odległego świata.

Wróćmy do uciekiniera z kwazara 3C273. W tym przypadku z pewnością przemieszcza się informacja: przez kosmos pędzi przecież obłok materii. Jak zatem wyjaśnić wielokrotne przekroczenie prędkości światła? Czyżbyśmy znaleźli ten jeden eksperymentalny dowód, potrafiący obalić założenia teorii względności?

Rozwiązanie zagadki kryło się, nieco ironicznie, w skończonej prędkości światła. Astronomowie zauważyli bowiem, że poruszające się z prędkościami nadświetlnymi strugi materii, wyrzucane z kwazarów (3C273 nie był jedyny) lub z okolic czarnych dziur, są skierowane mniej lub bardziej w stronę Ziemi. Przy takiej orientacji, jeśli struga porusza się z prędkością bliską c, po pewnym czasie widoczne na fotografii obrazy poszczególnych fragmentów obiektu nie będą pochodziły z tej samej chwili!

Zacznijmy od początku. Kierujemy nasze instrumenty badawcze na jądro aktywnej galaktyki i pewnej nocy dostrzegamy, że odrywa się od niego obłok materii. Odległość obu obiektów od nas jest w tym momencie praktycznie ta sama. Dziesięć lat później sprawy się komplikują. Uciekający z podświetlną prędkością obłok materii jest teraz bliżej Ziemi niż galaktyczne jądro - i to tym bliżej, im bardziej struga była skierowana w kierunku naszej planety (jednak nigdy nie bliżej niż o 10 lat świetlnych). Różnica w odległości powoduje, że w stosunku do "najświeższego" położenia obłoku-uciekiniera, moment jego emisji z jądra zobaczymy z opóźnieniem i w efekcie zmierzymy nierealnie wielką prędkość. Niczym David Copperfield, czasoprzestrzeń zwodzi nasze zmysły - i podobnie jak Copperfield, nie potrafi złamać praw fizyki. Może jedynie oszukiwać naiwnych.

Suma wszystkich fal

Przyjrzyjmy się falom świetlnym przemierzających kosmiczne pustkowia. Zgodnie ze szkolną wiedzą, impuls świetlny ma kształt perfekcyjnej sinusoidy. Prędkość, z jaką poruszają się jej grzbiety (a więc fazy fali), nazywamy prędkością fazową. W tym miejscu trzeba podkreślić, że choć na pierwszy rzut oka wydaje się, iż prędkość fazowa idealnie odpowiada potocznemu rozumieniu prędkości rozchodzenia się fali, wcale nie musi być związana z fizycznym przesłaniem czegoś z jednego punktu do drugiego! Falę możemy wywołać, potrząsając np. energicznie leżącą na ziemi, rozciągniętą skakanką. Powstanie wówczas wybrzuszenie, grzbiet, który przemieści się przez całą skakankę. Jest oczywiste, że ruch tej fali nie wynika z faktu, że wzdłuż skakanki (poziomo) przesuwały się atomy i cząsteczki sznura. One jedynie w odpowiedni sposób zsynchronizowały drgania w pionie z sąsiadami!

Aby wytworzyć sygnał, musimy z falą coś zrobić: urwać ją, zmienić amplitudę, częstotliwość. Oznacza to, że żaden sygnał nie może być przeniesiony za pomocą idealnej fali monochromatycznej, bo ta jest nieskończona, ma stałą długość i amplitudę. Prędkość fazowa nie musi więc być związana z fizycznym przesyłaniem sygnału! Spostrzeżenie to zostało wielokrotnie potwierdzone w doświadczeniach, w których mierzono nadświetlne prędkości fazowe fal elektromagnetycznych przechodzących przez odpowiednio dobrane ośrodki.

Rzeczywiste impulsy świetlne nie są "pojedynczą sinusoidą", lecz składają się z wielu fal nieznacznie różniących się długością - fizycy mówią o paczkach falowych. W próżni paczka falowa nie sprawia kłopotów i zachowuje się zgodnie z oczekiwaniami. Sprawy się zmieniają, gdy impuls trafia na ośrodek, w którym występuje dyspersja (zależność współczynnika załamania od długości fali, np. w gazie lub szkle). Fotony poruszają się w takim ośrodku z identyczną prędkością jak w próżni, ale co chwilę są pochłaniane przez atomy i cząsteczki, po czym ponownie emitowane, pochłanianie itd. Procesy te zajmują pewien czas, zależny od rodzaju atomów/cząsteczek oraz (co ma tu znaczenie kluczowe) od długości fal. Fale tworzące paczkę zaczynają więc się przemieszczać z różnymi prędkościami. W rezultacie raz się wzmacniają, raz wygaszają, zależnie od tego, czy spotykają się minima czy maksima. Ponieważ minima i maksima przesuwają się względem siebie, wywołuje to zmiany w amplitudzie wypadkowego impulsu. Amplituda fali sama staje się falą, impulsem, który powstał w wyniku kolektywnego działania wielu fal składowych. Prędkość tego impulsu nazywamy prędkością grupową; nie musi się ona pokrywać z prędkością fazową.

Sensacyjny rozdział?

Efekt tego rozdziału prędkości wydaje się egzotyczny, lecz spotykamy się z nim na co dzień. Szprychy roweru, kołpaki samochodowe, śmigła chłodzących nas w upały wiatraczków i wielkie łopaty wirników śmigłowców - wszędzie tu można zaobserwować, jak prędkość grupowa oddziela się od fazowej. Gdy śmigło zaczyna wirować coraz szybciej, nagle widzimy, że przestaje się poruszać, rusza się bardzo wolno lub nawet zaczyna obracać się w tył. Dzieje się tak, ponieważ częstotliwość obrotu śmigła zaczyna interferować z częstotliwością, z jaką postrzegamy obraz. Powstaje miraż, który obraca się (lub nie) niezależnie od prawdziwych łopatek śmigła. Efekt może być bardzo groźny. Wiedzą o tym zwłaszcza ci pracownicy warsztatów, który chwycili - pozornie wyglądającą na nieruchomą - tarczę piły mechanicznej.