Ar tikrai yra pastovus šviesos greitis vakuume?

Mokykloje mokiniams sako, kad šviesa vakuume keliauja šviesos greičiu c. Universitete fizikams bakalaurams paaiškina, kad šviesos greitis c yra susijęs su dviem kitom elektromagnetinėmis konstantomis bei pateikia pavyzdžius, kuomet šviesa medžiagoje keliauja lėčiau kad ir už mokinių pilna autobusą. Specializuotų studijų metu fizikos magistrams pateikiami kiti fizikos kursai, kur kalbama apie virtualius fotonus, virtualias daleles, apie Feinmano diagramas. Bet tuose kursuose neužduodamas klausimas: ar tikrai šviesos greitis kosmose pastovus?

Laikas nuo laiko tai astronomai, tai optikos mokslo specialistai praneša pasauliui apie kokį nors savo eksperimentą, kuriame arba šviesa nukeliauja atstumą greičiau nei reiktų, arba kokios kitos dalelės mus pasiekia greičiau nei šviesa. Kartais tą elgesį paaiškina banali eksperimento klaida arba matavimo netikslumai, tačiau vis atsiranda tokių pavyzdžių, kur mokslininkai pasimeta savo spėjimuose.

Supernova SN1987A, viena skaisčiausių kada nors teleskopų stebėtų žvaigždžių.
Supernova SN1987A, viena skaisčiausių kada nors teleskopų stebėtų žvaigždžių.

Vienas iš tokių pavyzdžių yra esančios Tarantulo Ūke supernovos 1987A sprogimas, kuris buvo vienas skaisčiausių tokių reiškinių per paskutinius 400 metus. 1987 metų vasario 23 dieną, viso pasaulio astronomai galėjo stebėti šį didingą įvykį. Sprogimas buvo nuodugniai išnagrinėtas visuose elektromagnetinių bangų ruožuose – nuo kietų gama spindulių iki radijo bangų. Sąlygos stebėti supernovą buvo idealios – jos galaktika (Didysis Magelano Debesis) gana sėkmingai išsidėsčiusi mūsų danguje, o ankstyvesnių matavimų dėka atstumas iki supernovos buvo žinomas.

Įvykių seka, užfiksuota stebint supernovos sprogimą. Brūkšniuotos linijos atitinka Mont Blanke (pirma) ir Japonijoje (antra) užfiksuotų neutrino pliūpsnių laiką. Kryžiukai atitinka mus pasiekusios šviesos stiprį.
Įvykių seka, užfiksuota stebint supernovos sprogimą. Brūkšniuotos linijos atitinka Mont Blanke (pirma) ir Japonijoje (antra) užfiksuotų neutrino pliūpsnių laiką. Kryžiukai atitinka mus pasiekusios šviesos stiprį.

Anuomet supernova 1987A buvo antras istorijoje objektas, kurį astronomai stebėjo ir su neutrino detektoriais. Didžiai astronomų nuostabai, pirmi sureagavo neutrino detektoriai Mont Blanke, nors paprasti teleskopai šviesos dar nedetektavo. Po 4,7 valandų sureagavo neutrino detektorius Kamiokande II Japonijoje. Tik 7,7 valandos po pirmo neutrino pliūpsnių, mokslininkų teleskopai pradėjo reaguoti į šviesą!

Neutrino detektorius užima milžinišką erdvę.
Neutrino detektorius užima milžinišką erdvę.

Anot Einšteino reliatyvumo teorijos, joks masę turintis kūnas negali judėti su šviesos greičiu c. Šviesos dalelės – fotonai – masės neturi, todėl anot teorijos jos visada skrieja vien tik šviesos greičiu. O kas yra neutrinai? Neutrinai yra krūvio neturinčios ir labai silpnai sąveikaujančios dalelės, todėl jų detektoriai užima masyvius tūrius bei yra statomi toli toli nuo žmogaus tam, kad jokie pašaliniai reiškiniai nesutrikdytų jautrios aparatūros darbo. Bet neutrinų masė nėra nulinė, todėl pagal Einšteino teoriją jie turėtų judėti greičiau nei kitos masyvios dalelės, tačiau vis tiek lėčiau negu šviesa! Kodėl gi jos, priešingai negu numato reliatyvumo teorija, atkeliavo greičiau negu šviesa?

Gana ilgai ši mįslė liko neatspėta. Kol mokslininkai neapsuko klausimą kitu kampu. O kas, jei tai ne neutrinai skriejo greičiau negu jiems priklauso, o šviesa judėjo lėčiau negu turėtų? Pasirodo, šitaip performuluotas klausimas turi atsakymą: taip, šviesa galėjo keletą valandų pavėluoti! Klausiate, kaip tai įmanoma? Tuoj viską paaiškinsiu!

Šviesa lūžta pereidama iš vienos medžiagos į kitą.
Šviesa lūžta pereidama iš vienos medžiagos į kitą.

Skaitytojui verta prisimint pirmų klasių gamtos pamokėles, kur mokytojas rodė, kaip šviesa lūžta pereidama iš oro į vandenį. Vanduo yra tankesnis šviesai, arba vandens šviesos lūžio rodiklis yra didesnis negu oro. Vanduo yra tankesnis ir elektros laukui – elektrinis laukas greičiau slopsta vandenyje negu ore. Taip atsitinka dėl taip vadinamos medžiagos poliarizacijos.

Vandens molekulės poliarizuojasi, kuomet atsiranda elektrinis laukas.
Vandens molekulės poliarizuojasi, kuomet atsiranda elektrinis laukas.

Kas yra poliarizacija? Ūkiškai galima paaiškint gana paprastai. Įsivaizduokite, kad nusiplovėte galvą ir rankšluosčiu nusišluostėte plaukus (jei plaukų neturite, prisiminkite laikus, kuomet turėjote). Pasižiūrėjus į veidrodį vaizdelis galvoje ne koks – pasišiaušę plaukai atrodo lyg “sprogimas makaronų fabrike”. Bet užtenka paimt į rankas šūkas, pasidarbuoti ir galva yra, galima sakyti, panaši į padoraus ir tvarkingo žmogaus galvą. Sveikinu! Jus ką tik paėmėte “poliarizatorių” – šukas – ir “poliarizavote” savo plaukus. Panašiai elgiasi ir vandens molekulės, kuomet netoli jų atsiranda elektros krūvis. Vienas vandens molekulės “galiukas” yra lengvai teigiamas, kitas “galiukas” yra lengvai neigiamas, todėl molekulės elgiasi kaip pagaliukai, kurie visi gražiai išsirikiuoja palei linijas nukreiptas link elektros krūvio. Šios molekulės “paslepia”, ekranuoja nuo toliau esančių kitų molekulių elektros krūvį, todėl Kulono dėsnyje atsiranda vardiklyje medžiagos dielektrinė konstanta, o elektros laukas slopsta greičiau nei vakuume.

Šviesai sklindant vandenyje, fotonas trumpam yra molekulės sugeriamas, o vėliau vėl išspinduliuojamas.
Šviesai sklindant vandenyje, fotonas trumpam yra molekulės sugeriamas, o vėliau vėl išspinduliuojamas.

Niekada nesusimastėte, ką reiškia didesnis už vienetą lūžio rodiklis? Vandens lūžio rodiklis yra 1,33, o stiklo n=1,5. Tai reiškia, kad šviesa vandenyje sklinda ketvirtadaliu, o stikle trečdaliu lėčiau negu kosmose! Kas gi atsitinka? Mes žinome, kad pačios molekulės yra ganėtinai mažos, o milžiniška erdvės dalį atomo branduolyje užima tuštuma. Visai kaip mūsų Saulės sistemoje, kur apie Saulę skrieja mažytės planetos. Kodėl gi šviesa vandenyje skrieja lėčiau? Reikalas tas, kad šviesa sąveikauja su vandens molekulėmis. Šviesos fotonas yra sugeriamas molekulės, kur jis sužadina elektroną ir trumpam dingsta. Po kiek laiko molekulėje elektronas grįžta į nesužadintą lygmenį, o molekulė tą patį fotoną išspinduliuoja ir jis skrieja toliau. Kuo lėčiau šviesa skrieja per medžiagą, tuo ilgesniam laikui fotonas “dingsta”. Jei medžiagos lūžio rodiklis yra penki, tai reiškia, kad net 80 procentų viso kelionės laiko fotonas yra “dingęs” molekulėje!

Kvantinis vakuumas nėra blanki nuobodi tuštuma. Tai tikras trileris, pilnas kvantinių dramų.
Kvantinis vakuumas nėra blanki nuobodi tuštuma. Tai tikras trileris, pilnas kvantinių išgyvenimų ir dramų.

Mes pratę vakuumą įsivaizduoti kaip tuštumą, kurioje nieko nėra. Tačiau tai yra netiesa! Vakuume tiesiog verda kvantinis gyvenimas. Tai tikras mikropasaulio trileris, pilnas kvantinių išgyvenimų ir virtualių dramų! Viso to “kaltininkas” yra taip vadinamas Heizenbergo neapibrėžtumo principas. Kvantiniame pasaulyje energijos tvermės dėsnis gali negalioti labai trumpą laiko tarpą. Energija gali atsirast iš niekur ir taip pat grįžt į niekur. Kuo daugiau energijos pasiskolinama, tuo mažesniam laikui nematomas “arbitras” leidžia tai padaryti. Panašiai ir gyvenime. Jei elektrą iš kaimynų kaime vagi po truputį, kaimynai ilgesnį laiką to nepastebės, tačiau vos tik pajungsi jiems ant skaitiklio namininkės fabrikėlį, žiurėk, mėnesio gale štai ir atbėga mieli bet labai nepatenkinti kaimynai aiškintis, kodėl ir už ką jiems čia tokios astronominės sąskaitos už elektrą.

Pagrindinių elementarių dalelių šeimyna. Kiekvienai jų yra antidalelė ir kiekviena jų gali sudaryt virtualių dalelių porą.
Pagrindinių elementarių dalelių šeimyna. Kiekvienai jų yra antidalelė ir kiekviena jų gali sudaryt virtualių dalelių porą.

Viskas panašiai ir kvantiniame vakuume, tik energija skolinama ne “kvantinei” naminukei gaminti, o virtualioms dalelėms atsirasti. Virtualios dalelės tai tokios dalelių poros, kuriose visada yra dalelė ir antidalelė: elektronas ir pozitronas, protonas ir antiprotonas, kvarkas ir antikvarkas.  Šių dalelių pora turi savo masę. Jei pamenate, Albertas Einšteinas pirmas susiejo masę ir energiją. Kuo didesnė virtualių dalelių masė, tuo trumpesniam laikui jos atsiranda iš niekur.

Virtualių dalelių pora.
Virtualių dalelių pora.

Tokia virtualių dalelių pora kažkuom primena vandens molekulę, kadangi vienas jos “galas” turi teigiamą krūvį, o kitas – neigiamą. Ar jau matote panašumą? Taip, taip! Tos virtualios dalelės gali poliarizuotis, kuomet šalia jų atsiranda realus elektros krūvis! Būtent jos paaiškina vakuumo dielektrinės ir magnetinės konstantų dydžius!

Fotonui skriejant vakuume, jis trumpam dingsta ir atsiranda virtualių dalelių pora
Fotonui skriejant vakuume, jis trumpam dingsta ir atsiranda virtualių dalelių pora

Virtualios dalelės arba pasigauna fotoną, arba susidaro skriejant fotonui. Dėl to labai trumpais laiko tarpais fotonas dingsta ir atsiranda dvejų dalelių porą – bozonas ir antibozonas, fermionas ir antifermionas. Suprantamai kalbant, pozitronas ir elektronas būtų geras pavyzdys. Po kiek laiko dalelių pora anihiliuoja ir jų vietoje atsiradęs fotonas skrieja toliau. Būtent šis procesas nulemia šviesos greičio konstantos c dydį! Populiariausias tokio proceso pavyzdys buvo pateiktas S. Hawkingo: jei viena dalelė atsiranda už juodos skyles įvykių horizonto, o kita – viduje, tuomet juoda skylė praranda masę ir “garuoja”.

Virtualioms dalelėms atsiradus stipriame gravitaciniame lauke, jos neskuba susijungt ir išspinduliuoti fotoną.
Virtualioms dalelėms atsiradus stipriame gravitaciniame lauke, jos neskuba susijungt ir išspinduliuoti fotoną.

Kažkas panašaus vyksta ir tada, kada supernovos šviesa keliauja mūsų link per Visatą. Dėl Galaktikos gravitacijos fotonui dingus, o dviems virtualioms dalelėms  atsiradus, stiprus Galaktikos traukos laukas užlaiko virtualias dalelės. Jos pasiskolia sau būtiną energiją vos vos ilgesniam laikui, negu būtų pasiskolinusios nesant gravitacinei traukai. Dėl šios priežasties jos anihiliuoja truputį vėliau nei turėtų ir taip susidaro labai mažas skirtumas šviesos greityje, su kurio nuo supernovos mūsų link skrieja šviesa.

Kaip matote, skirtingai nei mes pratę galvoti, kitaip negu mus mokė mokykloje ir universitete, net vakuume šviesa gali skrieti lėčiau, nei ji turėtų.

One thought on “Ar tikrai yra pastovus šviesos greitis vakuume?”

Leave a Reply