Ovládání času - technologie a metody (3)

Rychlost překračující rychlost světla

Cestování rychlostí vyšší než rychlost světla je kontroverzním tématem. Podle teorie speciální relativity by se vše, co by se mohlo pohybovat rychleji než světlo, přesunulo v čase nazpět.

Teorie speciální relativity zároveň uvádí, že by k tomu bylo zapotřebí nekonečně velké množství energie.

Komunikace a cestování přesahující rychlost světla (také nadsvětelná či FTL, z anglického názvu faster-than-light) se vztahují k šíření informací či hmoty rychlostí přesahující rychlost světla.

Podle speciální teorie relativity potřebuje částice (která má hmotu) s podsvětelnou rychlostí nekonečné množství energie k tomu, aby akcelerovala na rychlost světla, ačkoliv speciální teorie relativity nezapomíná na existenci částic, které vždy cestují rychleji než světlo.

Na druhé straně to, co někteří fyzici nazývají rychlostí „zdánlivě“ či „efektivně“ rychlejší než světlo, je hypotéza, že neobvykle zakřivené oblasti prostoročasu mohou dovolit hmotě, aby se dostala do vzdálených lokalit rychleji, než světlo „normální“ trasou (ačkoliv se zakřivenou oblastí stále pohybují podsvětelnou rychlostí).

Teorie obecné relativity rychlost zdánlivě rychlejší než světlo nevylučuje. Příklady těchto jevů jsou Alcubierrův pohon a červí díra, ačkoliv fyzikální pravděpodobnost těchto řešení je nejistá.

Klíčové charakteristiky použití cestování rychlostí překračující rychlost světla pro ovládání času a cestování v čase jsou předloženy na níže uvedeném obrázku.

Kromě „mainstreamových“ fyziků i jiní spekulovali nad mechanismy, které by mohly umožnit dosažení cestování rychlostí překračující rychlost světla, přičemž se často spoléhali na nové odhady fyziky svých vlastních vynálezů, ale jejich myšlenky nedosáhly ve fyzikální badatelské komunitě nijak zvláštního významu.

Fiktivní vyobrazení nadsvětelného cestování a mechanismů k jeho dosažení jsou rovněž hlavní součástí žánru sci-fi.

Cestování

V kontextu tohoto článku přenáší FTL informace či hmotu rychleji než c, konstanta rovnající se rychlosti světla ve vakuu: 299.792.458 m/s.

Není to úplně to samé jako cestování rychleji než světlo, protože:

• • některé procesy šíří rychleji než c, ale nemohou přenášet informace

• • světlo cestuje rychlostí c/n, pokud není ve vakuu, ale cestuje médiem s indexem lomu = n (způsobujícím lom světla). V některých materiálech mohou ostatní částice cestovat rychleji než c/n (ale stále pomaleji než c), což vede k Čerenkovově záření.

Ani jeden z těchto jevů neporušuje teorii speciální relativity, ani nevytváří problémy s kauzalitou, a proto se ani jeden nekvalifikuje na rychlejší než světlo (FTL) tak, jak je zde popsáno.

Možnost

Komunikace překračující rychlost světla je podle Einsteinovy teorie relativity ekvivalentem cestování v čase.

Podle Einsteinovy teorie speciální relativity je to, co měříme jako rychlost světla ve vakuu, v podstatě základní fyzikální konstantou c. To znamená, že všichni pozorovatelé, bez ohledu na jejich relativní rychlost, budou vždy měřit částice s nulovou hmotností, jako jsou například fotony, cestující rychlostí c ve vakuu. Tento výsledek znamená, že měření času a rychlosti v různých rámcích již nesouvisí pouze s posuny konstanty, ale místo toho jsou spojené Poincarého transformacemi.

Tyto transformace mají důležité aspekty:

• • Relativistická hybnost hmotné částice by zvýšila rychlost takovým způsobem, že při rychlosti světla by měl objekt infinitní hybnost.

• • Zrychlení objektu s nenulovou klidovou hmotností na c by vyžadovalo nekonečně mnoho času pro jakékoliv konečné zrychlení, nebo nekonečné zrychlení po konečnou dobu.

• • Tak anebo tak, takové zrychlení vyžaduje nekonečnou energii. Překročení rychlosti světla v homogenním prostoru by tedy vyžadovalo více než nekonečnou energii, což se všeobecně nepovažuje za rozumnou myšlenku.

• • Někteří pozorovatelé s podsvětelným relativním pohybem se neshodnou na tom, který ze dvou jevů oddělených intervalem prostorové povahy nastává jako první. Jinými slovy, jakékoliv cestování rychlostí překračující rychlost světla bude v nějakých jiných, stejně platných vztažných soustavách, považováno za cestování zpět v čase, nebo za potřebu předpokládat spekulativní hypotézu možných porušení Lorentzových principů v momentálně nepozorovaném měřítku (například Planckově měřítku). Proto se každá teorie, která dovoluje „pravou“ rychlost vyšší než rychlost světla, musí vypořádat i s cestováním v čase a všemi souvisejícími paradoxy, nebo předpokládat, že Lorentzova invariance je symetrií termodynamické statistické povahy (tudíž symetrií prolomenou v nějakém momentálně nepozorovaném měřítku).

• • Zatímco teorie speciální a obecné relativity nedovolují nadsvětelné rychlosti lokálně, nelokální způsoby mohou být možné, což znamená pohyb s prostorem, spíše než pohyb skrz prostor.

 

Odůvodnění

Přes zavedené závěry, že relativita vylučuje cestování rychlostí překračující rychlost světla, někteří navrhli způsoby odůvodnění FTL chování:

Radikálně zakřivit prostoročas pomocí pohonu „SlipString“

Existuje jeden způsob, který neporušuje relativitu. Pohon „SlipString“ Andrew L. Bendera.

Bender navrhuje cestování kompletní izolací oblasti prostoročasu od zbytku našeho vesmíru použitím Einsteinových gravitačních vln. Tyto kompresní vlny prostoročasu jsou generovány lodí, která je vypouští ze svého trupu do všech směrů, dokud není zcela izolována od zbytku našeho vesmíru. Pak vypouštěním dalších gravitačních vln za lodí, natahuje svou izolovanou bublinu do tvaru vejce, čímž způsobuje, že okolní prostoročas na bublinu tlačí nerovnoměrně a tím ji pohání vpřed rychlostmi, které již nejsou limitovány relativitou.

Čas v izolované oblasti plyne normálně a eliminuje tak možnost paradoxu nebo cestování v čase.

Ignorovat speciální relativitu

Tato možnost je populární zejména ve vědeckofantastické tvorbě. Nicméně empirické a teoretické důkazy silně podporují Einsteinovu teorii speciální relativity jako správný popis vysokorychlostního pohybu, který vytváří známější Galileova relativita, což je vlastně přibližování konvenčními rychlostmi (o hodně menší než c).

Podobně je obecná relativita nepřekonatelně podpořená a experimentálně ověřená teorie gravitace, mimo případů v režimu velmi vysokých energetických hustot na velmi krátké vzdálenosti, kde je nutná ještě nevyvinutá teorie kvantové gravitace. Speciální relativita je nicméně jednoduše začleněna do kvantových teorií polí.

Proto není, dokonce ani v širším kontextu obecné relativity a kvantové mechaniky, konvenční akcelerace z podsvětelných na nadsvětelné rychlosti možná.

Rychlejší světlo (Casimirovo vakuum a kvantové tunelování)

Einsteinovy rovnice speciální relativity postulují, že rychlost světla ve vakuu je v inerciální vztažné soustavě neměnná.

To znamená, že bude stejná z jakékoliv vztažné soustavy pohybující se konstantní rychlostí. Rovnice nespecifikují žádnou konkrétní hodnotu pro rychlost světla, což je experimentálně určená veličina pro neměnnou jednotku délky.

Od r. 1983 je jednotka délky (metr) definována pomocí rychlosti světla.

Experimentální určení bylo provedeno ve vakuu.

Nicméně to vakuum, které známe, není jediným typem vakua, které může existovat. K vakuu se pojí energie nazývaná energie vakua. Tato energie vakua může být snad v jistých případech změněna. Předpokládá se, že když je energie vakua snížena, cestuje samotné světlo rychleji než je standardní hodnota „c“. Tomu se říká Scharnhorstův jev.

Takovéto vakuum lze vyrobit přiblížením dvou perfektně hladkých kovových destiček na vzdálenost téměř průměru atomu. Nazývá se to Casimirovo vakuum. Výpočty naznačují, že světlo se bude v takovémto vakuu pohybovat nepatrně rychleji: foton pohybující se mezi dvěma deskami, které jsou vzdálené 1 mikrometr, by zvýšil svou rychlost pouze o jeden díl z 1036.

Pro tento předpoklad ještě nebyly provedeny žádné experimentální důkazy. Nedávná analýza tvrdí, že Scharnhorstův jev nelze použít k zaslání informace zpět v čase pouze s dvojicí desek, protože klidová soustava desek by definovala „preferovanou soustavu“ pro signalizaci FTL.

Nicméně s několika páry desek v pohybu, ve vzájemném vztahu, autoři zaznamenali, že nemají žádné argumenty, které by mohly „zaručit totální absenci porušení kauzality“ a vyvolali Hawkingův spekulativní předpoklad ochrany časového sledu, který navrhuje, že zpětnovazební smyčky virtuálních částic by vytvořily „nekontrolovatelné singularity v opět standardizované kvantové energii“ na hranici jakéhokoliv potenciálního stroje času, a tudíž by byla k plné analýze zapotřebí teorie kvantové gravitace.

Jiní autoři argumentují, že Scharnhorstova původní analýza, která naznačovala možnost signálů rychlejších než c, zahrnovala přibližné hodnoty, které nemusí být správné, takže není jasné, zda by tento jev vůbec mohl zvýšit rychlost signálu.

Fyzikové Gűnter Nimtz a Alfons Stahlhofen z univerzity v Koblenz tvrdí, že experimentálně porušili relativitu přenosem fotonů rychlostí převyšující rychlost světla. Říkají, že provedli pokus, ve kterém mikrovlnné fotony - svazky světla s relativně nízkou energií - cestovaly „mžikově“ mezi dvojicí hranolů, které od sebe byly vzdálené až 91 cm, pomocí jevu známého jako kvantové tunelování.

Nimtz uvedl pro časopis New Scientist:

„Prozatím je to jediné porušení speciální relativity, o kterém víme.“

Avšak jiní fyzici tvrdí, že tento jev nedovoluje přenos informací rychlostí překračující rychlost světla.

Aephraim Steinberg, expert na kvantovou optiku na kanadské univerzitě v Torontu, používá analogii vlaku cestujícího z Chicaga do New Yorku, přičemž po cestě v každé stanici ubere jeden vagón tak, že se střed vlaku při každé zastávce posunuje dopředu; tímto způsobem převyšuje rychlost středu vlaku rychlost jakéhokoliv jednotlivého vagónu.

-pokračování-