Unul dintre cele mai contraintuitive aspecte ale universului nostru, şi din acest motiv larg dezbătute şi combătute de către pasionaţii de ştiinţă, este următorul: de ce nu putem călători cu viteze superioare vitezei luminii? Viteze superluminice ar putea permite călătorii în alte galaxii într-un timp rezonabil, de exemplu. Răspunsul cel mai adesea oferit de fizicieni în materiale de popularizare este: pentru că orice corp care se apropie de viteza luminii are nevoie de energie din ce în ce mai mare, iar, la limită, are nevoie de energie infinită pentru a atinge viteza luminii. Pus în context relativist, specialiştii în teoria relativităţii au însă opinii diferite.
Înainte să trecem la întrebarea propriu-zisă, trebuie menționată excepţia: în fapt există deplasare mai rapidă decât viteza luminii în univers. Dat fiind că universul este în expansiune (spaţiul se dilată), luând în calcul distanţele mari din univers, este de înţeles că sunt corpuri cereşti care se deplasează faţă de alte corpuri cereşti, aflate la mare distanţă de primele, cu viteze care depăşesc viteza luminii. Un foton transmis de o galaxie dintr-un colţ al universului nu va ajunge niciodată la o altă galaxie, aflată la extremitatea cealaltă a universului; cele două extremităţi ale universului se deplasează una faţă de alta cu viteze mai mari decât viteza luminii. Aşadar, nimic nu poate depăşi viteza luminii în plan local. Din nou, expansiunea spaţiului face ca acest lucru să fie posibil.
Probabil că răspunsul onest la întrebarea "de ce nimic nu se deplasează cu o viteză mai mare decât viteza luminii?" este: NU ŞTIM! Dar ştim că viteza luminii în vid este viteza maximă în univers, pentru că teoriile relativităţii ale lui Einstein au fost testate de nenumărate ori şi nu s-a identificat, până acum, încălcări ale predicţiilor acestora.
Einstein a fundamentat teoria relativităţii speciale pe două concepte:
1. Orice persoană aflată în mişcare cu viteză rectilinie uniformă va observa aceleaşi legi ale fizicii cu un observator staţionar (Legile fizicii sunt aceleași în orice sistem de referință inerțial.).
2. Toţi observatorii vor măsura aceeaşi valoare a vitezei luminii, indiferent de starea lor de mişcare ori de repaus (Viteza luminii în vid este o constantă universală, c, independentă de mișcarea sursei de lumină ori de viteza observatorului).
Viteza luminii în vid, c = 299.792.458 m/s.
Postulatele teoriei relativităţii restrânse elimină: sistemul de referință absolut, timpul absolut, propagarea instantanee a interacţiunilor (viteza infinită), admise în mecanica clasică.
Aceste două concepte au schimbat lumea fizicii şi percepţia noastră asupra universului în mod fundamental. Gândiţi-vă la consecinţe! Dacă orice observator percepe fotonii de lumină ca având aceeaşi viteză, c, în raport cu observatorii, indiferent de ce viteză crede observatorul că are el, atunci ajungem la lucruri complet contraintuitive.
De exemplu, dacă două corpuri încep să se depărteze unul de altul, cu o viteză din ce în ce mai mare, ele nu vor ajunge niciodată să se afle, unul în raport cu altul, cu o viteză mai mare decât c (modul de notare a vitezei luminii).
Pe de altă parte, dacă ne-am imagina două corpuri, A şi B, care s-a apropia de un observator C, cu viteza de 0,8C (80% din viteza luminii), cu toate acestea, atunci când se calculează viteza unuia (a corpului A) raportată la celălalt (corpul B) viteza măsurată va apropiată de viteza luminii, dar nu egală ori superioară. Contraintuitiv, dar validat ştiinţific.
În fine, iată un alt exemplu, care completează povestea stranie a vitezei luminii: chiar şi pentru o particulă care se deplasează cu o viteză aproape de viteza luminii, precum protonii ori electronii, fotonii se deplasează faţă de aceştia tot cu viteza luminii, c. Nu este uluitor?
Accelerarea continuă, până la o viteză superioară vitezei luminii
Un alt exerciţiu mental efectuat de pasionaţii de fizică este următorul: ne imaginăm o rachetă, pentru care asigurăm o alimentare pe măsura necesităţii. Ne putem imagina faptul că putem accelera constant acea rachetă, atingând viteze din ce în ce mai mari, iar la un moment dat vom atinge şi depăşi viteza luminii. Nu? Ce ne-ar putea împiedica să tot creştem, incremental, viteza, un pic câte un pic?
Lucrurile trebuie înţelese în felul următor... Viteza nu are sens în universul nostru dacă nu este raportată la un observator. Dacă plasezi un corp în spaţiul intergalactic gol, cum poţi spune dacă acel corp se deplasează ori este staţionar? Nu există nicio modalitate. În spaţiul gol nu există niciun punct fix, niciun mod de a stabili un reper absolut. Încă o dată, nu există un sistem de referinţă absolut! Dacă vrem să aflăm viteza unui corp, trebuie să-l punem în relaţie cu ceva.
Acceleraţia, da, poate fi resimţită, dar, din nou, deplasarea cu o viteza constantă nu poate fi diferenţiată de starea de repaus, dacă nu plasăm corpul pe care vrem să-l măsurăm într-un sistem de referinţă.
Ecuaţiile lui Einstein prezic faptul că pe măsură ce te apropii de viteza luminii, un obiect care are masă are nevoie de o energie din ce în ce mai mare pentru a aduce un plus de viteză corpului. Se ajunge la situaţia că ar fi nevoie de o energie infinită pentru a accelera corpul la viteza luminii, iar masa relativistă a corpului accelerat la viteze din ce în ce mai mari atinge o masă infinită. Aşadar, ecuaţiile lui Einstein interzic deplasarea unui corp care are masă, în raport cu un observator, cu o viteză care egalează ori depăşeşte viteza luminii.
Masa relativistă nu poate privită ca masa "reală" a corpului în toate contextele. Masa de repaus este masa care considerată masa "reală". Masa relativistă nu poate fi luată în calcul în stabilirea influenţei gravitaţionale a unui corp, ci masa de repaus este cea folosită pentru a determina gravitaţia, chiar dacă este în mişcare corpul respectiv.
Prin urmare, explicaţia că un corp cu masă nu poate fi accelerat până la viteza luminii pentru că ar ajunge să aibă o masă infinită nu este, tehnic, corectă, chiar dacă ea este folosită des de profesorii de fizică şi diverşi iubitori de fizică ce popularizează teoria relativităţii a lui Einstein. Masa relativistă este un artificiu matematic pentru a spune că, din motive pe care nu le înţelegem foarte bine, corpurile cu masă sunt din ce în ce mai greu de accelerat pe măsură ce ne apropiem de viteza luminii, în raport cu un observator.
Acest lucru este precizat de ecuaţii, dar mulţi fizicieni afirmă că această masă relativă a corpului care se apropie de viteza luminii nu este o masă reală, ci doar o manieră matematică de a formula imposibilitatea atingerii vitezei luminii. Deşi abordarea este doar matematică, predicţia ecuaţiilor este corectă: nimic cu masă nu poate atinge viteza luminii.
Iată un videoclip în care conceptul de masă relativistă este explicat foarte bine de un profesor de fizică, iar grafica este excelentă, ajutând înţelegerea.
Masa relativistă şi energia
Fotonii şi câmpul Higgs
Iată unul dintre argumentele folosite pentru a justifica imposibilitatea deplasării cu o viteza luminii. Particulele îşi obţin masa în urma interacţiunii cu câmpul Higgs, care se consideră că este prezent pretutindeni în univers. În urma interacţiunii cu acest câmp (care este compus din particule, particulele Higgs, descoperite în 2012 la CERN) particulele elementare sunt cumva înfrânate, iar această înfrânare are drept rezultat inerţia (masa).
Fotonul nu interacţionează deloc cu câmpul Higgs, deci nu are masă, deci se deplasează cu viteza maxim posibilă în univers. Sigur, această abordare nu răspunde la întrebarea: de este viteza luminii cât este? De ce nu mai mică? De ce nu mai mare? Răspunsul simplu la aceste întrebări este: nu ştim, viteza luminii este o constantă ca oricare alta. E cât e şi cu asta basta! Argumentaţia de acest fel, în esenţă, spune că orice corp cu masă este în fapt un corp cu potenţialul de a atinge viteza luminii, dar această înfrânare ce rezultă din interacţiunea cu câmpul Higgs îl condamnă la a nu putea vreodată înfrânge această rezistenţă a câmpului Higgs şi a atinge viteza confraţilor fotoni.
Câmpul Higgs, reprezentare grafică.
credit: pindex.com
Problema cu această interpretare pare a fi următoarea: dacă privim câmpul Higgs ca reper fundamental, ca sistem de referinţă absolut, teoria relativităţii este contestată. Pe de altă parte nu e clar cum această soluţie rezolvă acest mister: viteza luminii este aceeaşi faţă de orice obiect.
Argumentul călătoriei în timp (în trecut)
Un alt argument împotriva călătoriei cu viteze superluminice afirmă că orice corp care s-ar deplasa cu o viteză superluminică s-ar deplasa în timp, iar acest lucru nu este posibil. De unde rezultă acest lucru? Din ecuaţii. Timpul rezultat este negativ în urma atingerii unei viteze superluminice, iar acest lucru este interpretat ca fiind un indiciu al călătoriei în trecut.
Deplasarea este în spaţiu-timp, nu în spaţiu, iar asta schimbă datele problemei
În videoclipul de mai jos o să vedeţi tocmai această explicaţie: nu imposibilitatea accelerării unui obiect la infinit este problema (adică nu faptul că am ajunge la o masă infinită), ci faptul că deplasarea are loc în spaţiu-timp, iar deplasarea în spaţiu-timp are loc cu viteza luminii (fotonul, de exemplu, deplasându-se doar în spaţiu cu viteza luminii, neavând experienţa timpului). Nu este exact explicat de ce viteza luminii nu poate fi depăşită în spaţiu (ce s-ar putea explica, la urma urmelor?), dar pune, vizual, în context, călătoria în spaţiu-timp.
Sunt fizicienii convinși că nimic nu poate călători mai rapid decât lumina?
Răspunsul este: da şi nu! Pe de-o parte, teoria relativităţii este testată de nenumărate ori şi confirmată experimental. Pe de altă parte, fizicienii visează să meargă dincolo de teoria relativităţii, să descopere o teorie şi mai generală, teoria totului, care să unifice toate teoriile fizice şi să explice, în mod unitar, universul.
De exemplu, în anul 2011 publicam pe Scientia un articol în care spuneam:
"Grupul de cercetători care lucrează în cadrul proiectului OPERA, care efectuează măsurători asupra unor particule numite neutrini (emişi la CERN-Geneva şi care, după ce călătoresc circa 730 km sub Pământ, ajung la laboratorul subteran italian de la Gran Sasso, LNGS-INFN), susţin că au măsurat o viteză corespunzătoare neutrinilor mai mare ca viteza luminii în vid".
Ulterior, lucrurile s-au mai răcit, iar după verificări suplimentare s-a dovedit că au fost unele erori nedepistate de către fizicieni, iar întreaga poveste a murit, iar teoria lui Einstein a supravieţuit.
Teoria relativităţii, pe scurt
În final, vă recomandăm un alt videoclip de 15 minute în care principiile relativităţii sunt introduse într-un ritm lent, iar explicaţiile sunt excelent formulate.
