BRZINA svjetlosti (c) u vakuumu je oko 300.000 km u sekundi i prema zakonima prirode kakve poznajemo niti jedno tijelo (materija), energija ili informacija ne može putovati brže od nje – ona se smatra čvrstom granicom za prijenos svih podataka u svemiru.

Podaci koje sateliti šalju na Zemlju sa svojih misija putuju brzinom svjetlosti, budući da sateliti informaciju šalju u vidu elektromagnetskih valova, a svjetlost je dio elektromagnetskog spektra. Ako nam dolaze s Mjeseca koji je udaljen oko 300.000 km od Zemlje, stići će za jednu sekundu. Ako dolaze sa Saturnovog mjeseca Titana, trebat će im oko 71 minutu kada nam je Titan najbliže, a oko 88 kada je najdalje.

Brzina svjetlosti ovisi o tome kroz kakav se medij kreće. Primjerice, kroz staklo se kreće sporije nego kroz zrak, pa zato vidimo kako se zraka svjetla u staklu lomi. Ta priroda svjetlosti omogućila je stvaranje optičkih leća.

Ograničenje brzine putovanja brzinom svjetlosti vjerojatno nikada neće biti premašeno, osim ako ne nađemo načina da ga nekako zaobiđemo. Na primjer, da putujemo kroz crvotočine u prostor-vremenu ili da stvaramo mjehure prostor-vremena koji će putovati u prostor-vremenu. Naime, ograničenje koje vrijedi za kretanje svjetlosti kroz prostor-vrijeme ne vrijedi za kretanje samih dijelova prostor-vremena. Zbog toga se neki daleki dijelovi svemira, u njegovoj ekspanziji, od nas mogu udaljavati brzinama većim od brzine svjetlosti, a da zakoni Einsteinove relativnosti ne budu prekršeni. Zapravo, najveći dio svemira koji vidimo, preko 90%, već je prešao granicu iza koje se od nas udaljava brzinom većom od svjetlosti. Unatoč tome mi te dijelove vidimo jer je svjetlost iz njih krenula prije mnogo milijuna godina.

Zašto svjetlost ne može putovati brže od c?

U popularizaciji znanosti brzina svjetlosti kao granica najčešće se predstavlja pojednostavljenim tumačenjem povezanosti prostora i vremena.

U teoriji relativnosti prostor i vrijeme nisu dva odvojena svojstva svemira kako se to zamišljalo prije Einsteina; ona su međusobno povezana i nazivaju se prostor-vrijeme. U tom prostor-vremenu, koji se može prikazati koordinatnim sustavom u kojem je jedna koordinata prostor, a druga vrijeme, sve se uvijek kreće nekom istom “ukupnom” brzinom. Primjerice, ako stojimo na mjestu u smislu kretanja kroz prostor, kretat ćemo se maksimalnom brzinom u vremenu. Obratno, ako se krećemo maksimalnom brzinom u prostoru, naša će brzina u vremenu biti nula (slika gore ili video dolje). To je ono što kaže teorija relativnosti – što se brže krećemo kroz prostor, to sporije kucaju naši satovi.

Problem se pojavio nedugo nakon postavljanja teorije relativnosti

Fizičar prof. dr. sc. Hrvoje Buljan s Fizičkog odsjeka PMF-a u Zagrebu kaže da je za razumijevanje ove zahtjevne teme potrebno prije svega razumjeti brzinu svjetlosti.

“Einsteinova specijalna teorija relativnosti iz 1905. kaže da energija i materija ne mogu putovati brže od brzine svjetlosti u vakuumu”, kaže Buljan.

“No, vrlo brzo nakon Einsteinovog otkrića fizičare su zabrinula razmatranja valnih paketa svjetlosti, odnosno skupina valova raznih frekvencija. Naime, njihovu brzinu opisujemo grupnom brzinom svjetlosnih valnih paketa koja u nekim materijalima može biti i veća od brzine svjetlosti, što je paradoks jer proizlazi iz teorije klasične elektrodinamike iz 19. stoljeća koja je u skladu s Einsteinovom relativnošću. Fizičar Sommerfeld pokazao je 1910. da fronta pravokutnog valnog paketa ne može putovati brže od brzine svjetlosti u vakuumu, a Brillouin je ukazao na nedostatak koncepta grupne brzine kada disperzija svjetlosti pokazuje anomalna svojstva. Razvojem laserskih tehnologija postalo je moguće stvarati valne pakete svjetlosti raznoraznih kompleksnih oblika. Razvojem novih materijala i realizacijom stanja materije poput hladnih atomskih plinova ili plazme, postalo je moguće dizajnirati medije koji ‘usporavaju’ ili ‘ubrzavaju’ svjetlost, odnosno grupnu brzinu svjetlosnih valnih paketa. Ponašanje valnih paketa svjetlosti i njihove grupne brzine već duže vrijeme intrigira znanstvenike. Na prvu se čini kao da je Einsteinova teorija srušena, a opet, detaljne analize uvijek su pokazale da teorija itekako vrijedi. I kako to sada objasniti?” pita se Buljan.

Što je grupna brzina svjetlosti i kako ona može biti veća od c?

Grupna brzina svjetlosti opisuje ritmički uspon i pad svjetlosnih valnih paketa, a ta brzina “valova u valovima” može se povećavati ili smanjivati ovisno o elektromagnetskom okruženju koje će utjecati na njih. Ova brzina, može biti veća ili niža od c, a ona utječe na to kako se oblik svjetlosnog impulsa širi i izobličuje dok se kreće kroz materijal.

Pokušajte zamisliti neki snop svjetlosti koji se proteže od Zemlje do Mjeseca. Fotoni u tom snopu neće se kretati brže od svjetlosti, no val unutar toga vala može.

Fizičari se već neko vrijeme igraju s ograničenjem brzine kretanja svjetlosnih valnih paketa u različitim materijalima kao što su hladni atomski plinovi, refraktivni kristali i optička vlakna. U časopisu Nature 2002. godine znanstvenici s NEC Research Institute u Princetonu objavili su da su valne pakete svjetlosti u plinu ceziju uspjeli ubrzati na brzinu koja je bila čak 300 puta veća od brzine svjetlosti. Štoviše, pokazalo se da su ti valni paketi virtualno izašli iz medija prije nego što su ušli u njega.

U eksperimentu su znanstvenici iz NEC-a mjerili vrijeme potrebno valnom paketu svjetlosti da prođe kroz 6 cm dugu posebno pripremljenu komoru ispunjenu metalom cezijem u plinovitom stanju. Pulsu svjetlosti od 3 mikrosekunde obično bi trebale samo 0.2 nanosekunde da prođe kroz komoru u vakuumu. No kada je prošla kroz posebno pripremljenu komoru, svjetlost se pojavila 62 nanosekunde prije nego što je prošla kroz komoru u vakuumu. Ova neobična pojava rezultat je “anomalne disperzije”, učinka koji se vidi samo za neke frekventne pojase ovisno o materijalu, a u ovom ga eksperimentu stvara neprirodno toplinsko stanje plina cezija koji se koristi u komori.

Valni paket  svjetlosti sastoji se od mnogih komponenata, od kojih svaka ima drugačiju valnu duljinu. To se može vidjeti kada sunčeva svjetlost prolazi kroz prizmu i rastavlja se na sastavne boje, kao na naslovnici albuma grupe Pink Floyd Dark Side of the Moon. Međutim, kako tumači stranica Optics.org, anomalna disperzija djeluje na valne duljine komponenata svjetlosti tako da ih modificira na neobičan način. Anomalna disperzija uzrokuje da one komponente koje u vakuumu imaju manju valnu duljinu u komori imaju veću valnu duljinu i obratno, da komponente s većom valnom duljinom u vakuumu imaju manju valnu duljinu u komori. Za razliku od normalne disperzije, anomalna disperzija ima izvanredan učinak koji valnom paketu omogućuje da se ponovno pojavi u udaljenoj točki naprijed uz njegov smjer širenja i stvori točan oblik svjetlosnog impulsa koji je ušao u komoru.

“Naš eksperiment pokazuje da je uvriježeno tumačenje da se ništa ne može kretati brže od brzine svjetlosti pogrešno. Međutim, Einsteinova teorija relativnosti i dalje ostaje jer još uvijek je ispravno reći da se informacije ne mogu prenositi brže od brzine svjetlosti u vakuumu”, rekao je dr. Lijun Wang, jedan od autora studije iz 2002.

“Nastavit ćemo proučavati prirodu svjetlosti i nadamo se da će nam to dati bolji uvid u prirodni svijet te dodatno potaknuti novo razmišljanje prema mirnodopskim primjenama koje će koristiti čitavom čovječanstvu”, dodao je.

Zbunjenost u znanstvenoj zajednici

Ovi eksperimenti uzrokovali su određenu zbunjenost. Naime, prema Einsteinovoj teoriji relativnosti, kada bi nešto nadmašilo brzinu c, to bi omogućilo da se neki događaj dogodi prije događaja koji ga je prouzročio. Primjerice, mogli biste pročitati ove riječi prije nego što su napisane.

Ipak, u to vrijeme većina fizičara nije se previše bojala za relativnost ili uzročnost. Uglavnom su se svi slagali da je u cijeloj priči jedino stvarno važno koliko brzo se prenosi energija te koliko se brzo mogu poslati informacije. Pritom se pod informacijama podrazumijeva bilo koji signal koji može utjecati na neki objekt ili sustav, primjerice, svjetlosni impuls koji može pokrenuti neki uređaj.

Istraživači su tvrdili da čak i ako je dio valnog paketa na prednjem rubu vala putovao brže od c, cjeloviti puls ne bi mogao imati nikakav učinak, on ne bi mogao prenijeti nikakve informacije sve dok veći dio valnog paketa ne bi stigao nešto kasnije.

Brzina impulsa je veća od c, ali informacije ipak nije

No koja je točno brzina informacija (vi) u takvom impulsu? Fizičari su pokušali pronaći odgovor. Neki su tvrdili da se brzina informacija treba poistovjetiti s grupnom brzinom, tako da ona može premašiti c, čime se krši uzročnost. Većina je pak smatrala da brzina informacija u svim situacijama mora biti manja ili jednaka c.

U studiji, koju su 2003. Daniel Gauthier sa Sveučilišta Duke u Durhamu u Sjevernoj Karolini i njegovi kolege objavili u časopisu Nature, istraživači su promatrali koliko brzo informacije mogu proći kroz medij u kojem grupna brzina valnog paketa znatno premašuje c.

Gauthierov tim istaknuo je da prijenos podataka nije samo stvar slanja signala. Signal mora biti kodiran na jednom kraju, a očitan na drugom. Da bi prenio informacije, signal se mora promijeniti – na primjer, svjetlost u nekom trenutku mora postati snažnija. Maksimalna brzina prijenosa podataka pritom odgovara najranijem vremenu u kojem se ta točka promjene može zabilježiti.

Otkrivanje informacije traje neko konačno vrijeme, primjerice, ovisno o obliku pulsa i količini pozadinskog šuma. Detektor mora razlikovati promjene koje predstavljaju informacije od onih koje su posljedica slučajnih kolebanja u signalu, poput radiostatike.

Gauthierov tim otkrio je da je potrebno dulje vrijeme da se detektiraju informacije kodirane u impulsu koji putuje kroz plin kalijevih atoma nego informacijama u valnom paketu koji putuju kroz vakuum brzinom c. Čak i kada je grupna brzina valnog paketa daleko nadmašivala brzinu svjetlosti, brzina informacija nikada nije prelazila brzinu c. Moglo bi se reći da je puls stizao prije, no da je trebalo dulje da objavi svoj dolazak.

Novo istraživanje

U novoj studiji, objavljenoj u časopisu Physical Review Letters istraživači iz Nacionalnog laboratorija Lawrence Livermore u Kaliforniji i Sveučilišta Rochester u New Yorku uspjeli su postići da svjetlosni impulsi putuju različitim brzinama koje su se kretale od jedne desetine uobičajene brzine svjetlosti do 30 posto veće od brzine svjetlosti u vakuumu.

U svojoj demonstraciji Clément Goyon i njegovi kolege prvo su stvorili vodik-helijevu plazmu, ionizirajući mlaz plina polariziranom laserskom zrakom. Zatim su usmjerili drugu lasersku zraku u plazmu. Tamo gdje su se putovi dvaju zraka križali, vodoravna komponenta drugog laserskog impulsa usporila je zbog promjene indeksa loma plazme. Ovo usporavanje proizašlo je iz interakcija između dva lasera i plazme.

Mjereći vremensko kašnjenje između vodoravne i okomite komponente drugog laserskog impulsa, tim je primijetio da su one imale različite brzine. Znanstvenici su otkrili da grupnu brzinu valnih paketa svjetlosti u plazmi mogu usporavati i ubrzavati ugađajući razliku u frekvencijama između dvaju snopova.

Ovo je dobra vijest za napredne tehnologije, osobito moćnih lasera. Koristeći struje plazme za izmjenu značajki svjetlosti, znanstvenici bi mogli spriječiti da se čvrsti optički materijali nekih lasera oštete na višim razinama energija.