В сентябре 2011 года ученый-физик Антонио Эредитато шокировал целый мир. Заявление, которое он сделал, обещало перевернуть все понимание Вселенной. И если данные, которые были собраны 160 учеными, участвовавшими в программе OPERA, были верными, то это означало: было обнаружено что-то невероятное. Частицы, в данном случае – нейтрино, двигались быстрее скорости света.
Невероятное открытие
В соответствии с теориями относительности Эйнштейна, этого не должно быть. И последствия демонстрации того, что это все же случилось, были бы огромными. Многие моменты в физике должны были бы быть пересмотрены. И хотя Эредитато и его команда сообщили, что у них имеется высокий уровень уверенности в том, что они обнаружили, они не заявили, что они на сто процентов уверены в точности своих наблюдений. На самом деле они просили других ученых помочь им понять, что же произошло.
Ошибка в эксперименте
В результате оказалось, что программа OPERA была неправа. Проблема со снятием показаний времени была связана с тем, что плохо был подключен кабель, который должен был передавать невероятно точные сигналы с GPS-спутников. Соответственно, появилась неожиданная задержка в передаче сигналов. Таким образом, измерения того, как много времени у нейтрино занимала определенная дистанция, имели погрешность около 73 наносекунд. Из-за этого сложилось впечатление, что эти частицы двигались быстрее, чем частицы света.
Последствия
Несмотря на месяцы тщательных проверок до начала эксперимента, большое количество повторных проверок полученной в ходе эксперимента информации, на этот раз ученые все же ошиблись. Эредитато ушел в отставку, хотя многие люди отмечали, что подобные ошибки в крайне сложной технике ускорителей частиц случаются довольно часто. Но почему же такое большое значение имеет даже крохотное предположение о том, что что-то может двигаться быстрее скорости света? И действительно ли люди уверены в том, что ничто не может этого сделать?
Скорость света
Давайте рассмотрим сначала второй из этих вопросов. Скорость света в вакууме составляет 299792.458 километров в секунду – немного не хватает до красивой круглой цифры 300 тысяч километров в секунду. Это очень быстро. Солнце находится в 150 миллионах километров от Земли, и у света данный путь занимает всего восемь минут и двадцать секунд. Может ли что-то, созданное человеком, соревноваться со светом? Один из самых быстрых объектов, когда-либо созданных человеком, – это космический зонд New Horizons, который пролетел мимо Плутона и Харона в 2015 году. Максимальная скорость, которой он смог достигнуть – 16 километров в секунду, то есть намного меньше, чем 300 тысяч километров в секунду.
Эксперимент с электронами
Однако людям удалось заставить крошечные частицы двигаться с гораздо большей скоростью. В начале шестидесятых Уильям Бертоцци из Массачусетского технологического института экспериментировал с ускорением электронов. Так как электроны имеют отрицательный заряд, существует возможность привести их в движение путем отталкивания, если зарядить материал таким же зарядом. Чем больше энергии использовалось, тем быстрее становились электроны.
Почему не приложить максимум энергии?
Можно подумать, что достаточно увеличить прикладываемую энергию до такой степени, чтобы скорость частицы развилась до необходимых 300 тысяч километров в секунду. Однако оказалось, что электроны не могут двигаться так быстро. Эксперименты Бертоцци показали, что использование большего количества энергии не создает пропорционального увеличения скорости электронов. Ему приходилось прикладывать все больше энергии, чтобы получать все уменьшающиеся прибавки в скорости частиц. Они становились все ближе и ближе к скорости света, но никогда ее так и не достигли.
Невозможность достижения
Представьте себе, что вам нужно дойти до двери, совершая шаги, но каждый последующий шаг будет вполовину меньше предыдущего. Проще говоря, вы никогда не дойдете до двери, так как при совершении каждого последующего шага между вами и дверью все равно будет оставаться определенная дистанция. Именно с такой проблемой столкнулся Бертоцци в своем эксперименте с электронами. Однако свет состоит из частиц, которые называются фотонами. Почему эти частицы могут двигаться со скоростью света, если электроны не справляются с поставленной задачей?
Особенности фотонов
По мере того как объект движется все быстрее и быстрее, он становится все тяжелее и тяжелее, и поэтому ему становится труднее набирать скорость, и именно поэтому они никогда не смогут достигнуть скорости света. У фотонов же нет массы. Если бы у них была масса, они бы не смогли двигаться со скоростью света. Фотоны являются уникальными частицами. Они не обладают массой, что дает им безграничные возможности во время перемещений в вакууме, им не нужно ускоряться. Естественная энергия, которой они обладают, двигаясь волнами, обеспечивает то, что в момент создания фотоны уже обретают свой предел скорости.
