Fenomena fisik yang tidak mengenal batas kecepatan.
Batas kecepatan tertinggi diketahui bahkan oleh anak sekolah: dengan menghubungkan massa dan energi dengan rumus terkenal E = mc2Albert Einstein, pada awal abad kedua puluh, menunjukkan ketidakmungkinan mendasar dari segala sesuatu yang bermassa untuk bergerak di ruang angkasa lebih cepat daripada kecepatan cahaya dalam ruang hampa. Namun, formulasi ini sudah mengandung celah yang dapat dilewati oleh beberapa fenomena fisik dan partikel. Setidaknya, fenomena yang ada dalam teori.
Celah pertama menyangkut kata "massa": pembatasan Einstein tidak berlaku untuk partikel tak bermassa. Mereka juga tidak berlaku untuk beberapa media yang agak padat, di mana kecepatan cahaya bisa jauh lebih kecil daripada di ruang hampa. Akhirnya, ketika energi yang cukup diterapkan, ruang itu sendiri dapat berubah bentuk secara lokal, memungkinkannya bergerak sedemikian rupa sehingga bagi pengamat dari samping, di luar deformasi ini, gerakan akan terjadi seolah-olah lebih cepat dari kecepatan cahaya.
Beberapa dari fenomena dan partikel fisika "supercepat" ini secara teratur direkam dan direproduksi di laboratorium, bahkan diterapkan dalam praktik, dalam instrumen dan perangkat berteknologi tinggi. Lainnya, diprediksi secara teoritis, para ilmuwan masih mencoba untuk menemukan dalam kenyataan, dan yang ketiga mereka memiliki rencana besar: mungkin suatu hari nanti fenomena ini akan memungkinkan kita untuk bergerak di alam semesta dengan bebas, bahkan tidak dibatasi oleh kecepatan cahaya.
Teleportasi kuantum
Status: aktif berkembang
Teleportasi makhluk hidup adalah contoh yang baik dari teknologi yang secara teoritis diperbolehkan, tetapi dalam praktiknya, tampaknya, tidak pernah layak. Tetapi jika kita berbicara tentang teleportasi, yaitu perpindahan instan dari satu tempat ke tempat lain dari benda-benda kecil, dan terlebih lagi partikel, itu sangat mungkin. Untuk menjaga hal-hal sederhana, mari kita mulai sederhana - partikel.
Tampaknya kita akan membutuhkan perangkat yang (1) benar-benar mengamati keadaan partikel, (2) mentransfer keadaan ini lebih cepat dari kecepatan cahaya, (3) mengembalikan aslinya.
Namun, dalam skema seperti itu, bahkan langkah pertama tidak dapat sepenuhnya dilaksanakan. Prinsip Ketidakpastian Heisenberg memberlakukan batasan yang tidak dapat diatasi pada akurasi yang dengannya parameter "berpasangan" partikel dapat diukur. Misalnya, semakin baik kita mengetahui impulsnya, semakin buruk - koordinatnya, dan sebaliknya. Namun, fitur penting dari teleportasi kuantum adalah, pada kenyataannya, Anda tidak perlu mengukur partikel, sama seperti Anda tidak perlu memulihkan apa pun - Anda hanya perlu mendapatkan sepasang partikel yang terjerat.
Misalnya, untuk menyiapkan foton terjerat seperti itu, kita perlu menerangi kristal nonlinier dengan radiasi laser dari gelombang tertentu. Kemudian beberapa foton yang masuk akan meluruh menjadi dua yang terjerat - terhubung secara tidak dapat dijelaskan, sehingga setiap perubahan dalam keadaan satu langsung mempengaruhi keadaan yang lain. Hubungan ini benar-benar tidak dapat dijelaskan: mekanisme keterjeratan kuantum tetap tidak diketahui, meskipun fenomena itu sendiri telah dan sedang ditunjukkan terus-menerus. Tapi ini adalah fenomena seperti itu, di mana sangat mudah untuk menjadi bingung - cukuplah untuk menambahkan bahwa sebelum pengukuran, tidak satu pun dari partikel ini memiliki karakteristik yang diinginkan, dan tidak peduli apa hasil yang kita dapatkan dengan mengukur yang pertama, keadaan yang kedua anehnya akan berkorelasi dengan hasil kami …
Mekanisme teleportasi kuantum, yang diusulkan pada tahun 1993 oleh Charles Bennett dan Gilles Brassard, hanya membutuhkan penambahan satu peserta tambahan ke pasangan partikel yang terjerat - sebenarnya, yang akan kita teleportasi. Merupakan kebiasaan untuk memanggil pengirim dan penerima Alice dan Bob, dan kami akan mengikuti tradisi ini dengan memberikan masing-masing satu foton terjerat. Segera setelah mereka membubarkan jarak yang layak dan Alice memutuskan untuk memulai teleportasi, dia mengambil foton yang diinginkan dan mengukur statusnya bersama dengan status foton pertama yang terjerat. Fungsi gelombang tak tentu foton ini runtuh dan langsung merespons dalam foton terjerat kedua Bob.
Sayangnya, Bob tidak tahu persis bagaimana foton-nya bereaksi terhadap perilaku foton Alice: untuk memahami ini, dia harus menunggu sampai dia mengirimkan hasil pengukurannya melalui surat biasa, tidak lebih cepat dari kecepatan cahaya. Oleh karena itu, tidak ada informasi yang dapat ditransmisikan melalui saluran seperti itu, tetapi faktanya akan tetap menjadi fakta. Kami memindahkan status satu foton. Untuk mentransfer ke manusia, masih ada skala teknologi, merangkul setiap partikel hanya 7000 triliun triliun atom dari tubuh kita - tampaknya tidak lebih dari keabadian memisahkan kita dari terobosan ini.
Namun, teleportasi kuantum dan keterjeratan tetap menjadi beberapa topik terpanas dalam fisika modern. Pertama-tama, karena penggunaan saluran komunikasi semacam itu menjanjikan perlindungan yang tidak dapat dipecahkan dari data yang ditransmisikan: untuk mendapatkan akses ke sana, penyerang perlu mengambil tidak hanya surat dari Alice ke Bob, tetapi juga akses ke partikel terjerat Bob, dan bahkan jika mereka berhasil mencapainya dan melakukan pengukuran, ini akan selamanya mengubah keadaan foton dan segera terungkap.
Vavilov - efek Cherenkov
Status: digunakan untuk waktu yang lama
Aspek perjalanan yang lebih cepat dari kecepatan cahaya ini adalah kesempatan yang menyenangkan untuk mengingat pencapaian para ilmuwan Rusia. Fenomena ini ditemukan pada tahun 1934 oleh Pavel Cherenkov, yang bekerja di bawah arahan Sergei Vavilov, tiga tahun kemudian menerima dasar teoretis dalam karya-karya Igor Tamm dan Ilya Frank, dan pada tahun 1958 semua peserta dalam karya-karya ini, kecuali yang sudah almarhum Vavilov, dianugerahi Hadiah Nobel untuk Fisika.
Memang, teori relativitas hanya berbicara tentang kecepatan cahaya dalam ruang hampa. Di media transparan lainnya, cahaya melambat, dan cukup terasa, akibatnya pembiasan dapat diamati di perbatasannya dengan udara. Indeks bias kaca adalah 1,49, yang berarti bahwa kecepatan fase cahaya di dalamnya adalah 1,49 kali lebih kecil, dan, misalnya, berlian memiliki indeks bias 2,42, dan kecepatan cahaya di dalamnya lebih dari setengahnya. Tidak ada yang mencegah partikel lain terbang dan lebih cepat dari foton cahaya.
Inilah yang terjadi pada elektron, yang dalam eksperimen Cherenkov disingkirkan oleh radiasi gamma energi tinggi dari tempatnya dalam molekul cairan bercahaya. Mekanisme ini sering dibandingkan dengan pembentukan gelombang kejut suara saat terbang di atmosfer dengan kecepatan supersonik. Tapi itu juga bisa dibayangkan berjalan di tengah keramaian: bergerak lebih cepat dari cahaya, elektron bergegas melewati partikel lain, seolah-olah menyentuh mereka dengan bahu - dan untuk setiap sentimeter dari jalan mereka, memaksa mereka untuk memancar dengan marah dari beberapa hingga beberapa ratus foton..
Segera, perilaku yang sama ditemukan di semua cairan lain yang cukup bersih dan transparan, dan kemudian radiasi Cherenkov direkam bahkan jauh di dalam lautan. Tentu saja, foton cahaya dari permukaan tidak benar-benar sampai di sini. Tapi partikel ultracepat yang terbang keluar dari sejumlah kecil partikel radioaktif yang membusuk dari waktu ke waktu menciptakan cahaya, mungkin setidaknya memungkinkan penduduk setempat untuk melihat.
Radiasi Cherenkov-Vavilov telah menemukan aplikasi dalam sains, teknik tenaga nuklir dan bidang terkait. Reaktor pembangkit listrik tenaga nuklir, penuh dengan partikel cepat, bersinar terang. Dengan mengukur secara akurat karakteristik radiasi ini dan mengetahui kecepatan fase di lingkungan kerja kita, kita dapat memahami jenis partikel apa yang menyebabkannya. Para astronom juga menggunakan detektor Cherenkov, mendeteksi partikel kosmik yang ringan dan energik: yang berat sangat sulit untuk dipercepat ke kecepatan yang diperlukan, dan mereka tidak menciptakan radiasi.
Gelembung dan liang
Status: fantastis hingga teoretis
Ini adalah seekor semut yang merangkak di selembar kertas. Kecepatannya rendah, dan orang malang itu membutuhkan waktu 10 detik untuk pergi dari tepi kiri pesawat ke kanan. Tapi begitu kita mengasihani dia dan menekuk kertas, menghubungkan ujung-ujungnya, dia akan langsung "teleportasi" ke titik yang diinginkan. Hal serupa dapat dilakukan dengan ruang-waktu asli kita, dengan satu-satunya perbedaan bahwa pembengkokan memerlukan partisipasi dimensi lain yang tidak terlihat oleh kita, membentuk terowongan ruang-waktu - lubang cacing yang terkenal, atau lubang cacing.
Omong-omong, menurut teori baru, lubang cacing semacam itu adalah sejenis ruang-waktu yang setara dengan fenomena belitan kuantum yang sudah dikenal. Secara umum, keberadaan mereka tidak bertentangan dengan konsep penting fisika modern, termasuk teori relativitas umum. Tetapi untuk mempertahankan terowongan seperti itu di jaringan Semesta, diperlukan sesuatu yang sedikit mirip dengan sains nyata - "materi eksotik" hipotetis yang memiliki kepadatan energi negatif. Dengan kata lain, itu pasti jenis materi yang menyebabkan gaya tolak … gaya gravitasi. Sulit membayangkan suatu saat akan ditemukan eksotik ini, apalagi dijinakkan.
Deformasi ruang-waktu yang bahkan lebih eksotis - gerakan di dalam gelembung struktur lengkung kontinum ini - dapat berfungsi sebagai semacam alternatif untuk lubang cacing. Gagasan itu diungkapkan pada tahun 1993 oleh fisikawan Miguele Alcubierre, meskipun itu terdengar jauh lebih awal dalam karya-karya penulis fiksi ilmiah. Ini seperti pesawat ruang angkasa yang bergerak, meremas dan menghancurkan ruang-waktu di depan hidungnya dan menghaluskannya kembali. Pada saat yang sama, kapal itu sendiri dan awaknya tetap berada di area lokal, di mana ruang-waktu mempertahankan geometrinya yang biasa, dan tidak mengalami ketidaknyamanan. Ini dapat dilihat dengan jelas dalam seri "Star Trek", populer di kalangan pemimpi, di mana "warp drive" seperti itu memungkinkan Anda untuk bepergian, tanpa kerendahan hati, di seluruh Semesta.
Tachyon
Status: fantastis hingga teoretis
Foton adalah partikel tak bermassa, seperti neutrino dan beberapa lainnya: massanya saat diam adalah nol, dan agar tidak menghilang sepenuhnya, mereka dipaksa untuk selalu bergerak, dan selalu - dengan kecepatan cahaya. Namun, beberapa teori menyarankan keberadaan partikel yang jauh lebih eksotis - tachyon. Massa mereka, muncul dalam rumus favorit kami E = mc2, diberikan bukan oleh angka sederhana, tetapi oleh angka imajiner, termasuk komponen matematika khusus, kuadrat yang memberikan angka negatif. Ini adalah properti yang sangat berguna, dan penulis seri Star Trek tercinta kami menjelaskan pekerjaan mesin fantastis mereka dengan "memanfaatkan energi tachyon".
Faktanya, massa imajiner melakukan hal yang luar biasa: tachyon harus kehilangan energi, berakselerasi, jadi bagi mereka segala sesuatu dalam hidup sama sekali tidak sama seperti yang kita pikirkan. Bertabrakan dengan atom, mereka kehilangan energi dan mempercepat, sehingga tabrakan berikutnya akan lebih kuat, yang akan mengambil lebih banyak energi dan mempercepat tachyon lagi hingga tak terbatas. Jelas bahwa kegilaan diri seperti itu hanya melanggar hubungan sebab akibat yang mendasar. Mungkin itu sebabnya hanya ahli teori yang mempelajari tachyon sejauh ini: belum ada yang melihat satu pun contoh pembusukan hubungan sebab-akibat di alam, dan jika Anda melihat, cari tachyon, dan Hadiah Nobel dijamin untuk Anda.
Namun, para ahli teori masih menunjukkan bahwa tachyon mungkin tidak ada, tetapi di masa lalu yang jauh mereka bisa ada, dan, menurut beberapa ide, kemungkinan tak terbatas mereka yang memainkan peran penting dalam Big Bang. Kehadiran tachyon menjelaskan keadaan vakum palsu yang sangat tidak stabil, di mana Semesta bisa saja ada sebelum kelahirannya. Dalam gambaran dunia seperti itu, tachyon yang bergerak lebih cepat daripada cahaya adalah dasar nyata dari keberadaan kita, dan kemunculan Semesta digambarkan sebagai transisi bidang tachyon dari vakum palsu ke bidang inflasi dari yang sebenarnya. Perlu ditambahkan bahwa semua ini adalah teori yang cukup dihormati, terlepas dari kenyataan bahwa pelanggar utama hukum Einstein dan bahkan hubungan sebab-akibat ternyata adalah pendiri semua sebab dan akibat di dalamnya.
Kecepatan kegelapan
Status: filosofis
Secara filosofis, kegelapan hanyalah ketiadaan cahaya, dan kecepatannya harus sama. Tetapi perlu dipikirkan lebih hati-hati: kegelapan dapat mengambil bentuk yang bergerak lebih cepat. Nama bentuk ini adalah bayangan. Bayangkan Anda mengarahkan jari Anda ke siluet anjing di dinding seberang. Sinar dari senter menyimpang, dan bayangan dari tangan Anda menjadi jauh lebih besar daripada tangan itu sendiri. Gerakan jari sekecil apa pun sudah cukup untuk membuat bayangan darinya di dinding bergerak dalam jarak yang terlihat. Bagaimana jika kita membuat bayangan di bulan? Atau ke layar imajiner lebih jauh?..
Gelombang yang nyaris tidak terlihat - dan dia akan berlari dengan kecepatan berapa pun yang hanya diberikan oleh geometri, jadi tidak ada Einstein yang bisa memberitahunya. Namun, lebih baik tidak main mata dengan bayangan, karena mereka dengan mudah menipu kita. Layak untuk kembali ke awal dan mengingat bahwa kegelapan hanyalah ketiadaan cahaya, oleh karena itu tidak ada objek fisik yang ditransmisikan selama gerakan seperti itu. Tidak ada partikel, tidak ada informasi, tidak ada deformasi ruang-waktu, yang ada hanyalah ilusi kita bahwa ini adalah fenomena yang terpisah. Di dunia nyata, tidak ada kegelapan yang bisa menandingi kecepatan dengan cahaya.