תורת היחסות הפרטית שוב קבלה חיזוק ניסויי: לא ניתן לעבור את מהירות האור
פיסיקאים מהונג קונג בראשותו של פרופ' שנגוואנג דו Shengwang Du מאוניברסיטת הונג קונג למדע וטכנולוגיה בהונג קונג, סין, פרסמו מחקר לפיו הפוטון הבודד לא יכול לעבור את מהירות האור. פירושו של דבר שהפוטון נע במהירות c, אך אינו יכול לנוע מהר יותר מזה. המחקר פורסם כמאמר קצר בכתב העת Physical Review Letters.
לתוצאות יש משמעות לגבי המהירות המקסימאלית שבה ניתן להעביר מידע (כלומר, השלכות לתחום התקשורת והמחשוב) וגם השלכות תיאורטיות בכך שמזה שנים לא היה ברור האם הפוטון הבודד מציית לסיבתיות והאם קיימים הטכיונים המסתוריים. עתה בניסוי אופטי מהונג קונג התברר שהפוטון הבודד מציית לחלוטין לחוקי הסיבתיות, וכך גם לחץ הזמן. פירושו שהסיבה אינה יכולה להופיע לפני התוצאה.
מסתבר שהאנטי-טלפון הטכיוני מ-1973 של בנפורד, בוק וניוקמב לא יכול להתממש. לפי הטלפון הזה ישנם שני אנשים משה וחיים ולכל אחד מהם ישנו משדר של טכיונים ששולח מידע שעה אחורנית בזמן. כלומר מדובר כאן במהירות הסיגנל שנשלח אחורנית בזמן. נניח שמשה וחיים מגיעים להסכם הבא: משה ישלח מסר בשעה שלוש אם ורק אם הוא לא יקבל כזה בשעה אחת. חיים ישלח מסר שיגיע למשה בשעה אחת מיד כאשר הוא יקבל כזה ממשה בשעה שתיים. וככה משה וחיים אף פעם לא יכולים לדבר באנטי-טלפון הטכיוני שמשדר לעבר, או תחלופת המסרים בין משה לחיים תתקיים אם ורק אם היא לא תתרחש.
ולכן אם משתמשים במכשיר טלפון שמשגר סיגנלים במהירות גבוהה מזו של האור מגיעים לפרדוקס. עכשיו נניח שלטלפון האנטי טכיוני יש פקס אנטי טכיוני. וויליאם שיקספיר ופרנסיס בייקון מסכימים ביניהם ששיקספיר יעביר בפקס את המלט לבייקון. שייקספיר מעביר את המלט על גבי הפקס הטכיוני ובייקון מקבל את הפקס בזמן מוקדם יותר. האם ניתן לטעון שבייקון כתב את המלט? לא, כי שום טיעון לא יכול לגרום לבייקון להיות מחבר של המלט. זהו שייקספיר ולא בייקון שהינו בעל השליטה על תוכן הפקס שנשלח. החתימה על המלט היא גודל אינבריאנטי.
עכשיו דומה שהבעיות האלה נפתרו על ידי הניסוי של החוקרים מהונג קונג. מבחינת תורת היחסות הפרטית שאותה פרסם אינשטיין ב-1905 הוא דיבר על שני דברים:
1) תשדורת סיגנל מהירה יותר ממהירות האור היא בלתי אפשרית.
2) גוף חומרי לא יכול לצבור מהירות שתגיע למהירות האור.
החוקרים הוכיחו שהפוטון הבודד שמרכיב את הסיגנל אכן נע במהירות האור. והם הוכיחו בניסוי שתשדורת סיגנל מהירה יותר ממהירות האור היא בלתי אפשרית.
מחקרים קודמים ניסו להדגים כמה מהר האור יכול לנוע. מאז שני המאמרים הראשונים ב-1914 של ארנולד זומרפלד ולאון ברילואין, שחקרו את התפשטות האור בתווך דיפרקטיבי, כלומר מפזר, החוקרים התעניינו בתופעה של התפשטות פולסי אור (שמורכבים מפוטונים רבים) בתוך התווך המפזר. הם גילו שמהירות החבורה של הפולס עשויה להיות גבוהה יותר ממהירות האור בואקום. מחקרים אף דווחו על הדגמות של מהירות איטית מהאור ועל מהירות חבורה כה איטית, עד כדי כמעט עצירה של הפולס. הדגמה של מהירות חבורה על אורית הודגמה במספר ניסויים בחומרים מוצקים והתופעה קשורה בפיזור הרב של החומר. מידת הפיזור היא שתוביל להאטה של מהירות החבורה מצד אחד או למהירות חבורה על אורית מצד שני.
למרות שמחקרים קודמים אלה מצאו שמהירות החבורה של האור עשויה להיות מהירה ממהירות האור, החוקרים סברו שמהירות הסיגנל – כלומר, המהירות שבה המידע נע – לא יכולה לעבור את מהירות האור. וכך, תורת היחסות של אינשטיין דומה שניצלה. אולם לאור הממצא האחרון של החוקרים מהונג קונג, הם תהו האם פוטונים בודדים נעים במהירות החבורה או במהירות הסיגנל?
כאשר מדברים על סיגנל אופטי שמתפשט בתוך תווך דיפרקטיבי, החוקרים האמינו שמהירות הסיגנל שווה תמיד למהירות האור ללא תלות בתכונות של התווך המפזר. הם סברו לכן שישנו גל טרנסיינט שקרוי מקדים אופטי, שהוא התנהגות רגעית של השדה של הגל המתפשט. גל הטרנסיינט נע במהירות האור בואקום. הבעיה היא, שנדרשו ניסויים שידגימו שהמקדים האופטי הוא החלק המהיר ביותר בהתפשטות הפולס האופטי.
כדי לפתור את התעלומה: האם מהירות הפוטון הבודד היא מהירות החבורה או מהירות הסיגנל, הניסוי של הקבוצה בראשותו של פרופ' שנגוואנג לא רק שהפיק פוטונים בודדים, אלא גם נקט בהפרדת המקדים האופטי משאר הפולס, או מהפוטון. החוקרים בראשותו של פרופ' שנגוואנג הדגישו, שניסויים קודמים שהיו מבוססים על התפשטות גלים אלקטרומגנטיים מקרוסקופיים – ואלה היו גם מעורבים בפוטונים רבים – הראו שהמקדים האופטי הוא החלק המהיר ביותר בהתפשטות של הפולס האופטי. ואולם המחקר של החוקרים מהונג קונג הוא הבדיקה הניסויית הראשונה שמראה שהמקדימים האופטיים קיימים ברמה של הפוטון הבודד, והם החלק המהיר ביותר בחבילת הגל של הפוטון הבודד.
פירושו שלפוטון יש מהירות סיגנל שהיא מהירות האור ולא ניתן לעבור את המהירות הזו! תורת היחסות הפרטית של אינשטיין שוב קיבלה חיזוק ניסויי יותר ממאה שנה לאחר שהוצעה.
לידיעה בנושא באתר הפיזיקה
נסיעתו של מארטי מקפליי בזמן בלתי אפשרית
נסיעה אחורה בזמן עם גוגל ארץ':