ניסויים באוני' דיוק נותנים תוקף להגבלת מהירות האור של תיאוריית היחסות הפרטית

דיקלה אורן (תרגום)

קישור ישיר לדף זה: https://www.hayadan.org.il/lightspeedlimit.html

בפנייה למחלוקת שהועלתה לראשונה בסביבות 1910 שני פיסיקאים בעזרתו של מהנדס ביצעו ניסויים , שנתנו מחדש תוקף להגבלה של היחסות הפרטית על מהירות האור.

במאמר שפורסם בגיליון כתב העת נייצ'ר מהשישה עשר לאוקטובר , שלושת החוקרים: דניאל גאוט'ייר ומייקל סטנר מאוניברסיטת דיוק ומרק נאיפילד מאוניברסיטת אריזונה הגיעו לממצאים שלהם ע”י החלת תיאוריית המידע על ניסויים בלייזרים. תיאוריית המידע היא תיאוריה סטטיסטית, המתעסקת עם הגבולות והיעילות של עיבוד מידע.

בתהליך, החוקרים תיעדו מצבי ניסוי בהם נראה שהגבול של מהירות האור שנשלח חרג מהגבול של היחסות הפרטית. זאת עד שהם הפחיתו את הזמן שלקח להם לגלות באופן אמין את התוצאות.

אלברט איינשטיין הציע בתיאוריית היחסות הפרטית משנת 1905, כי שום דבר אינו יכול לעבור את מהירות האור בריק – כשלוש מאות אלף קילומטרים בשנייה. מכל מקום, כמה תיאורטיקנים מיהרו לקרוא תיגר על הגבול הזה למהירות האור, אומר גאוט'ייר, פרופסור עמית לפיסיקה באוניברסיטת דיוק.

החישובים של התיאורטיקנים הללו הציעו כי כמה מרכיבים באלומת אור יכולים לנוע מהר יותר ממהירות האור בעוברם דרך סוגים שונים של תווך שקוף, אמר גאוט'ייר. החישובים הציבו בעיה ליחסות הפרטית עצמה, שמדגישה כי כל אובייקט שיעבור את מחסום מהירות האור, יגיע ליעדו קודם ליציאתו וכך יפר את העיקרון של קדימות הסיבה לתוצאה.

כדי לפתור את הבעיה, המדענים של תחילת המאה העשרים הסכימו על “ניסוח מחדש” של התיאוריה של איינשטיין ע”י קביעה, שהמהירות של המידע, שנושאת איתה אלומת אור, אינה יכולה לעבור את מהירות האור בריק, כתבו החוקרים במאמרם.

הרעיון הכללי היה שרק על החלק באלומה שנושא את המידע שמגיע ראשון להסכים עם הגבולות שמציבה היחסות הפרטית. בדרך זו ניתן לשמר את העיקרון שהסיבה קודמת לתוצאה.

“התיאורטיקנים הראשונים חשבו על מידע כגורם המטייל בין הסיבה והתוצאה שלה ” אמר סטנר, סטודנט בוגר אצל גאוט'ייר והכותב שחתום ראשון על המאמר בנייצ'ר.

שאלת מהירות האור הוצגה מחדש בשנים האחרונות בניסויים, שהיו מצוידים בלייזרים וגלאים מתקדמים. הניסויים שלהם כללו מדידות של אלומות אור נעות בתוך מה שהם כינו “תווך אור מהיר” המורכב מגזים של אטומים מעוררים בעזרת לייזר.

הניסויים הללו העלו מחדש את האפשרות של מהירות גדולה ממהירות האור, לדוגמא “שיאה של אלומת אור עשויה לצאת מהחומר האופטי טרם למעברה בפאת הכניסה” כתבו החוקרים.

מדענים ידעו זה זמן רב שאור מורכב מכמה תדירויות, הסביר גאוט'ייר. כפי שציין המאמר בנייצ'ר, באלומה נתונה של אור ניתן לראות בכל תדירות שמרכיבה אותה אדווה נפרדת. כל אדווה יכולה להיאמר כנעה בתווך מעביר האור במהירות טיפה שונה.

לרוב כאשר אור נע דרך תווך שכזה, עדשה אופטית או חלון זכוכית לדוגמא, המהירות של כל המרכיבים הללו מופחתת מתכונתית. למרות זאת, בכמה חומרים ישנם מקרים של “פיזור חריג” בו כמה מרכיבים של אלומת האור צוברים מהירות במקום להקטינה.

במקרים המיוחדים הללו ראו כמה תאורטיקנים בתחילת המאה העשרים את האפשרות להפרה של ההגבלה על מהירות האור בתורת היחסות הפרטית, כשכמה מרכיבים באלומה יימצאו מקדימים אותה.

הסוגיה הזאת הועלתה מחדש בשנים האחרונות ע”י תאורטיקנים בני זמננו, ששקלו מחדש את הדינמיקה של אלומת אור, וכמו כן בידי ניסויים, אמר גאוט'ייר.

הקבוצה של גאוט'ייר עקבה אחר ניסוי שהתפרסם בשנת 2000 בנייצ'ר. בניסוי נוצרו מקרים מיוחדים של פיזור חריג בעזרת הקרנת פולסים של שני לייזרים על גז של אטומים. כך נוצרה אלומת אור שהייתה מהירה יותר ממהירות האור וכמו כן כללה טווח צר של תדירויות.

כתוצאה מהתמרונים האלה, נתגלו ראיות שהצביע על כך שחלק הארי של האלומה נע במהירות גדולה ממהירות האור, ולא רק כמה אדוות. אולם תכנון הניסוי הערים קשיים לצוות מאוניברסיטת דיוק בניסיונו לקבוע האם מידע גם הוא נע במהירות שחרגה מגבול מהירות האור של היחסות הפרטית, אמר גאוט'ייר.

לכן גאוט'ייר וסטנר העמידו ניסוי בשני לייזרים משלהם, שהפך את ההבחנה במהירות המידע קלה יותר. הם עשו זאת ע”י הקרנת כל פולס של לייזר לתא אחר בו נמצאו אטומי פוטסיום.

העיצוב החדש של הניסוי אפשר להם לתאם ולכוון את התדירויות של שני הפולסים של הלייזרים כדי ליצור פולס מתקדם משמעותית. כמו כן היה באפשרותם לכוון את הלייזרים כך שהאור יתנהג כאילו הוא נע בריק.

כאשר הלייזרים כוונו להאיץ את האלומה התוצאות הראו כי האור נע במהירות העולה על מהירות האור, אמר גאוט'ייר. כתוצאה מכך, ההבדלים כביכול בין אור מהיר ואור רגיל היו קלים להשוואה.

כדי לקבוע האם הכללים של היחסות הפרטית בדבר קדימות הסיבה לתוצאה באמת הופרו, גאוט'ייר , שהוא גם חבר במרכז פיצפטריק לפוטוניקה ותקשורת שממוקם בבית הספר פראט להנדסה בדיוק, וסטנר שיתפו פעולה עם נאיפילד, מומחה להנדסה ומדע המידע במרכז למדע האופטיקה באוניברסיטת אריזונה.

בעיקרון, המחקר קודד מידע באלומות אור והשווה את מהירות משלוח המידע באור המהיר ובאור ש”בריק”.

ההשוואה חשפה כי המידע לא באמת נע מהר יותר מגבול המהירות באור המהיר. למעשה, המידע באור המהיר הגיע מעט לאט יותר מכפי שהיה מגיע אם היה נע במהירות האור כמו האור שנע ב”ריק”.

משמעות הדבר היא שלמרות ששיא האלומה היה מהיר יותר ממהירות האור, מהירות משלוח המידע בהחלט לא הייתה גדולה יותר ממהירות האור.

מסקנת הכותבים במאמרם בנייצ'ר “תצפיותינו עקביות עם הסיבתיות היחסותית, והן עוזרות לפתור את המחלוקות סביב פיזור אור מהיר ממהירות האור ” .

Detection rescues cause and effect
לידיעה באתר נייצ'ר:
ידען האסטרופיסיקה

https://www.hayadan.org.il/BuildaGate4/general2/data_card.php?Cat=~~~593782931~~~60&SiteName=hayadan