תופעות פיזיות שאינן מזהות הגבלות מהירות.
מגבלת המהירות העליונה ידועה אפילו לתלמידי בית הספר: על ידי חיבור מסה ואנרגיה עם הנוסחה המפורסמת E = mc2אלברט איינשטיין, בתחילת המאה העשרים, הצביע על חוסר היסוד של כל דבר בעל מסה לנוע בחלל מהר יותר ממהירות האור בחלל ריק. עם זאת, ניסוח זה כבר מכיל פרצות שכמה תופעות פיסיקליות וחלקיקים מסוגלות בהחלט לעקוף אותן. לפחות, התופעות הקיימות בתיאוריה.
הפרצה הראשונה נוגעת למילה "מסה": המגבלות של איינשטיין אינן חלות על חלקיקים חסרי מסה. הם גם אינם חלים על אמצעי מדיה צפופים למדי, שבהם מהירות האור יכולה להיות נמוכה משמעותית מאשר בחלל ריק. לבסוף, כאשר מפעילים מספיק אנרגיה, המרחב עצמו יכול להתעוות באופן מקומי, מה שמאפשר לו לנוע בצורה כזו שעבור צופה מהצד, מחוץ לעיוות זה, התנועה תתרחש כאילו היא מהירה יותר ממהירות האור.
חלק מהתופעות ה"מהירות-על "הללו וחלקיקי הפיזיקה מתועדות ומשוכפלות באופן קבוע במעבדות, אפילו מיושמות בפועל, במכשירים ובמכשירי היי-טק. אחרים, שחזו תיאורטית, מדענים עדיין מנסים לגלות במציאות, ובשלישית יש להם תוכניות גדולות: אולי מתישהו התופעות האלה יאפשרו לנו לנוע ברחבי היקום בחופשיות, אפילו לא להיות מוגבלות במהירות האור.
טלפורטציה קוונטית
סטטוס: פיתוח פעיל
טלפורטציה של ישות חיה היא דוגמה טובה לטכנולוגיה שמותרת מבחינה תיאורטית, אך בפועל, ככל הנראה, לעולם אינה אפשרית. אבל אם אנחנו מדברים על טלפורטציה, כלומר התנועה המיידית ממקום אחד למקום אחר של אובייקטים קטנים, ואף יותר מכך חלקיקים, זה בהחלט אפשרי. כדי לשמור על דברים פשוטים, נתחיל בפשטות - חלקיקים.
נראה כי נזדקק למכשירים אשר (1) מתבוננים לחלוטין במצב החלקיק, (2) מעבירים מצב זה מהר יותר ממהירות האור, (3) משחזרים את המקור.
עם זאת, בתוכנית כזו, אפילו השלב הראשון אינו ניתן למימוש מלא. עקרון אי הוודאות של הייזנברג מטיל גבולות בלתי נתפסים לדיוק שבו ניתן למדוד את הפרמטרים ה"זווגים "של חלקיק. לדוגמה, ככל שאנו מכירים את הדחף שלו טוב יותר, כך הגרוע יותר - הקואורדינטות, ולהיפך. עם זאת, תכונה חשובה של טלפורטציה קוונטית היא שלמעשה אינך צריך למדוד חלקיקים, כשם שאתה לא צריך לשחזר דבר - אתה רק צריך לקבל זוג חלקיקים סבוכים.
לדוגמה, כדי להכין פוטונים כל כך מסובכים, עלינו להאיר קריסטל לא לינארי עם קרינת לייזר של גל מסוים. אז חלק מהפוטונים הנכנסים יתפרקו לשני סבוכים - מקושרים באופן בלתי מוסבר, כך שכל שינוי במצב של אחד משפיע באופן מיידי על המצב של השני. הקשר הזה באמת בלתי מוסבר: מנגנוני ההסתבכות הקוונטית נותרים עלומים, למרות שהתופעה עצמה הוכחה ומתגלה כל הזמן. אבל זו תופעה כזו, שבה ממש קל להתבלבל - מספיק להוסיף שלפני המדידה לאף אחד מהחלקיקים האלה אין את המאפיינים הרצויים, ולא משנה איזו תוצאה נקבל על ידי מדידת הראשון, המצב של השנייה תואם באופן מוזר את התוצאה שלנו …
מנגנון הטלפורטציה הקוונטית, המוצע בשנת 1993 על ידי צ'ארלס בנט וג'יל בראסארד, מחייב להוסיף רק משתתף אחד נוסף לצמד החלקיקים המסתבכים - למעשה זה שאנו הולכים לטלפורט. נהוג להתקשר לשולחים ולמקלטים אליס ובוב, ואנו נעקוב אחר המסורת הזו על ידי מתן לכל אחד מהם אחד הפוטונים הסבוכים.ברגע שהם מתפזרים למרחק הגון ואליס מחליטה להתחיל בטלפורטציה, היא לוקחת את הפוטון הרצוי ומודדת את מצבו יחד עם המצב של הפוטונים הראשונים. פונקציית הגל הבלתי מוגבלת של פוטון זה מתמוטטת ומגיבה באופן מיידי בפוטון השבוך השני של בוב.
לרוע המזל, בוב אינו יודע בדיוק כיצד הפוטון שלו מגיב להתנהגות הפוטון של אליס: כדי להבין זאת, עליו להמתין עד שתשלח את תוצאות המדידות בדואר רגיל, לא מהר יותר ממהירות האור. לכן לא ניתן להעביר מידע דרך ערוץ כזה, אך העובדה תישאר עובדה. העברנו טלפורטציה למצב של פוטון אחד. על מנת לעבור לבני אדם, נותר לגדל את הטכנולוגיה, ולחבק כל חלקיק של 7000 טריליון טריליון אטומים בלבד בגופנו - נראה כי לא יותר מנצח מפריד בינינו לבין פריצת הדרך הזו.
עם זאת, טלפורטציה קוונטית והסתבכות נותרו חלק מהנושאים החמים ביותר בפיזיקה המודרנית. קודם כל, מכיוון שהשימוש בערוצי תקשורת מסוג זה מבטיח הגנה בלתי ניתנת לשבירה של נתונים המועברים: על מנת לקבל גישה אליהם, התוקפים יצטרכו לתפוס לא רק את המכתב מאליס לבוב, אלא גם גישה לחלקיק הסבוך של בוב, ואפילו אם הם יצליחו להגיע אליו ולבצע אותו מדידות, זה ישנה לנצח את מצב הפוטון ויתגלה מיד.
אפקט ואבילוב - צ'רנקוב
סטטוס: בשימוש במשך זמן רב
היבט זה של נסיעה מהירה יותר ממהירות האור הוא אירוע נעים לזכור את הישגיהם של מדענים רוסים. התופעה התגלתה בשנת 1934 על ידי פאבל צ'רנקוב, שעבד בניהולו של סרגיי ואבילוב, שלוש שנים לאחר מכן היא קיבלה בסיס תיאורטי ביצירותיהם של איגור תם ואיליה פרנק, ובשנת 1958 כל המשתתפים ביצירות אלה, למעט כבר נפטר ואבילוב, זכה בפרס נובל לפיזיקה.
ואכן, תורת היחסות מדברת רק על מהירות האור בחלל ריק. במדיה שקופה אחרת, האור מאט, ובאופן ניכר למדי, וכתוצאה מכך ניתן לראות שבירה בגבולם עם האוויר. מדד השבירה של הזכוכית הוא 1.49, כלומר מהירות הפאזה של האור בו היא פי 1.49 פחות, ולמשל, ליהלום יש אינדקס שבירה של 2.42, ומהירות האור בו יותר ממחצית. שום דבר לא מונע מחלקיקים אחרים לעוף ומהיר יותר מפוטונים קלים.
זה בדיוק מה שקרה לאלקטרונים, שבניסויים של צ'רנקוב הופלו על ידי קרינת גמא באנרגיה גבוהה ממקומם במולקולות הנוזל הזוהר. מנגנון זה מושווה לעתים קרובות להיווצרותו של גל הלם קול בעת טיסה באטמוספירה במהירות על קולית. אבל אפשר לדמיין את זה גם רץ בתוך קהל: נע מהר יותר מאור, אלקטרונים נחפזים על פני חלקיקים אחרים, כאילו הם נוגעים בהם בכתף - ועל כל סנטימטר של דרכם, ואולצים אותם לפלוט בכעס ממספר עד כמה מאות פוטונים..
עד מהרה, אותה התנהגות נמצאה בכל הנוזלים הנקיים והשקופים למדי, ולאחר מכן נרשמה קרינת צ'רנקוב אפילו עמוק באוקיינוסים. כמובן, פוטונים של אור מהשטח לא ממש מגיעים לכאן. אבל חלקיקים מהירים במיוחד שעפים מדי פעם בכמויות קטנות של חלקיקים רדיואקטיביים מתפוררים יוצרים זוהר, אולי לכל הפחות מאפשרים לתושבי המקום לראות.
קרינת צ'רנקוב-ואבילוב מצאה יישום במדעים, הנדסת כוח גרעיני ותחומים נלווים. הכורים של תחנת הכוח הגרעינית, מלאים בחלקיקים מהירים, זוהרים באור עז. על ידי מדידה מדויקת של מאפייני הקרינה הזו וידיעת מהירות הפאזה בסביבת העבודה שלנו, נוכל להבין איזה סוג חלקיקים גרם לה. אסטרונומים משתמשים גם בגלאי צ'רנקוב, המזהים אור וחלקיקים קוסמיים אנרגטיים: קשה מאוד להאיץ למהירות הנדרשת, והם אינם יוצרים קרינה.
בועות ומחילות
סטטוס: פנטסטי עד תיאורטי
הנה נמלה זוחלת על דף נייר. מהירותו נמוכה, ולוקח למסכן 10 שניות להגיע מהקצה השמאלי של המטוס ימינה. אך ברגע שנרחם עליו ונכופף את הנייר, יחבר את קצוותיו, הוא "יעבור טלפורט" מיד. לנקודה הרצויה. אפשר לעשות משהו דומה עם מרחב הזמן המולד שלנו, עם ההבדל היחיד שכיפוף דורש השתתפות של ממדים אחרים, שאינם מורגשים לנו, ויוצרים מנהרות של זמן-חלל-התולעים המפורסמות, או חורי התולעת.
אגב, על פי תיאוריות חדשות, חורי תולעת כאלה הם מעין מקבילה של זמן-זמן לתופעת ההסתבכות הקוונטית המוכרת כבר. באופן כללי, קיומם אינו סותר שום מושג חשוב של הפיזיקה המודרנית, כולל תורת היחסות הכללית. אך כדי לשמור על מנהרה כזו ברקמת היקום, יידרש משהו הדומה מעט למדע האמיתי - "חומר אקזוטי" היפותטי בעל צפיפות אנרגיה שלילית. במילים אחרות, זה חייב להיות מסוג החומרים שגורמים לכוח משיכה … דחייה. קשה לדמיין שמתישהו האקזוטי הזה יימצא, שלא לדבר על אילוף.
עיוות אקזוטי עוד יותר של זמן -מרחב - תנועה בתוך הבועה של המבנה המעוקל של הרצף הזה - יכול לשמש מעין אלטרנטיבה לחורי תולעת. הרעיון בא לידי ביטוי בשנת 1993 על ידי הפיזיקאי מיגל אלקובייר, למרות שהוא נשמע הרבה יותר מוקדם ביצירותיהם של סופרי מדע בדיוני. זה כמו חללית שזזה, סוחטת ומועכת זמן-מרחב מול האף ומחליקה אותו בחזרה. במקביל, הספינה עצמה וצוותה נשארים באזור המקומי, שם מרחב הזמן שומר על הגיאומטריה הרגילה שלו, ואינם חווים אי נוחות. ניתן לראות זאת בבירור בסדרה "מסע בין כוכבים", הפופולרית בקרב חולמים, שבה "כונן עיוות" כזה מאפשר לך לנסוע, ללא צניעות, ברחבי היקום.
טחיונים
סטטוס: פנטסטי עד תיאורטי
פוטונים הם חלקיקים חסרי מסה, כמו נייטרינו ואחרים: המסה שלהם במנוחה היא אפס, וכדי לא להיעלם לגמרי, הם נאלצים לזוז תמיד, ותמיד - במהירות האור. עם זאת, כמה תיאוריות מצביעות על קיומם של חלקיקים אקזוטיים הרבה יותר - טאכיונים. המסה שלהם, המופיעה בנוסחה האהובה עלינו E = mc2, לא נתון במספר פשוט, אלא במספר דמיוני, כולל רכיב מתמטי מיוחד, שהריבוע שלו נותן מספר שלילי. זהו נכס שימושי מאוד, וכותבי סדרת מסע בין כוכבים האהובים שלנו הסבירו את עבודת המנוע הפנטסטי שלהם על ידי "רתימת האנרגיה של הטאצ'ונים".
למעשה, המסה הדמיונית עושה את המדהים: הטאקיונים חייבים לאבד אנרגיה, מאיצים, כך שמבחינתם הכל בחיים אינו זהה לזה כפי שנהגנו לחשוב. בהתנגשות עם אטומים, הם מאבדים אנרגיה ומאיצים, כך שההתנגשות הבאה תהיה חזקה עוד יותר, מה שייקח עוד יותר אנרגיה ויאיץ את הטקיונים שוב לאינסוף. ברור שהתאהבות עצמית כזו פשוט פוגעת ביחסי סיבתי בסיסיים. אולי בגלל זה רק התיאורטיקנים לומדים עד כה טקיונים: אף אחד עדיין לא ראה דוגמה אחת להתדרדרות מערכות היחסים בין סיבה ותוצאה בטבע, ואם אתה רואה, חפש טקיון, ופרס נובל מובטח לו אתה.
עם זאת, תיאורטיקנים עדיין הראו שייתכן כי לא קיימים טקיונים, אך בעבר הרחוק הם היו יכולים להתקיים, ועל פי כמה רעיונות, האפשרויות האינסופיות שלהם מילאו תפקיד חשוב במפץ הגדול. נוכחותם של טקיונים מסבירה את המצב הבלתי יציב ביותר של ואקום שקרי, בו היקום יכול היה להיות לפני לידתו. בתמונה כזו של העולם, הטאקיונים הנעים מהר מהאור הם הבסיס האמיתי לקיומנו, והופעת היקום מתוארת כמעבר שדה הטחיון של הוואקום השווא לשדה האינפלציוני של האמיתי.ראוי להוסיף כי כל אלה הן תיאוריות מכובדות למדי, למרות העובדה שהמפרים העיקריים של חוקי איינשטיין ואפילו הקשר בין סיבה ותוצאה מתגלים כמייסדי כל הגורמים והתוצאות בו.
מהירות החושך
סטטוס: פילוסופי
מבחינה פילוסופית, החושך הוא פשוט היעדר אור, ומהירותם צריכה להיות זהה. אבל כדאי לחשוב בזהירות רבה יותר: החושך יכול ללבוש צורה שזזה הרבה יותר מהר. שם הטופס הזה הוא צל. תארו לעצמכם שאתם מכוונים את אצבעותיכם לצללית של כלב על הקיר הנגדי. הקורה מהפנס מתנתקת, והצל מידך הופך להיות גדול בהרבה מהיד עצמה. התנועה הקלה ביותר של אצבע מספיקה כדי שהצל ממנה על הקיר ינוע מרחק ניכר. מה אם נשליך צל על הירח? או למסך דמיוני עוד יותר?..
גל בקושי מורגש - והיא תתקל בכל מהירות שניתנת רק על ידי גיאומטריה, כך שאיינשטיין לא יכול להגיד לה. עם זאת, עדיף לא לפלרטט עם צללים, כי הם מרמים אותנו בקלות. כדאי לחזור להתחלה ולזכור שחושך הוא פשוט היעדר אור, ולכן שום אובייקט פיזי לא מועבר במהלך תנועה כזו. אין חלקיקים, אין מידע, אין עיוותים של זמן-מרחב, יש רק אשליה שלנו שמדובר בתופעה נפרדת. בעולם האמיתי, שום חושך אינו יכול להשוות במהירות לאור.