În linii mari:

Există o limită maximă de viteză la care orice poate călători prin țesătura spațiului: viteza luminii în vid.

299.792.458 m/s, este limita maximă de viteză cosmică și viteza cu care toate particulele fără masă trebuie să călătorească prin spațiul gol. Dar de îndată ce nu mai există vid, chiar și lumina în sine încetinește.

Acest lucru dă naștere la unicul și singurul mod de a depăși viteza luminii.

În Universul nostru, există câteva reguli pe care totul trebuie să le respecte. Energia, impulsul și momentul unghiular sunt întotdeauna conservate ori de câte ori interacționează. 

Fizica oricărui sistem de particule care se deplasează înainte în timp se identică cu fizica aceluiași sistem reflectat într-o oglindă, cu particule schimbate cu antiparticule, unde direcția timpului este inversată. 

Și există o limită maximă de viteză cosmică: nimic nu poate depăși viteza luminii și nimic cu masă nu poate atinge acea viteză.

De-a lungul anilor, oamenii au dezvoltat scheme foarte inteligente pentru a încerca să ocolească această ultimă limită. Teoretic, au introdus tahionii ca particule ipotetice care ar putea depăși viteza luminii, dar se cere ca tahionii să aibă mase imaginare și nu există fizic. 

În cadrul Relativității Generale, spațiul suficient deformat ar putea crea căi alternative, scurte, dar Universul nostru fizic nu are găuri de vierme cunoscute. Și în timp ce fizica cuantică poate crea  acțiuni „înfricoșătoare” la distanță , nicio informație nu este transmisă mai repede decât lumina.

Dar există o modalitate de a depăși viteza luminii: introduceți-o în orice mediu, altul decât un vid perfect. Iată cum funcționează fizica.

Dincolo de viteza luminii

Lumina este o undă electromagnetică. Sigur, se comportă și ca o particulă, dar când vorbim despre viteza sa de propagare, este mult mai util să ne gândim la ea nu doar ca o undă, ci ca la o undă de câmpuri electrice și magnetice oscilante, în fază. 

Când călătorește prin vidul spațiului, nu există nimic care să restricționeze acele câmpuri să călătorească cu amplitudinea pe care ar alege-o în mod natural, definită de energia, frecvența și lungimea de undă.

Dar atunci când lumina călătorește printr-un mediu – adică orice regiune în care sunt prezente sarcini electrice (și posibil curenți electrici) – acele câmpuri electrice și magnetice întâlnesc un anumit nivel de rezistență la propagarea liberă. Dintre toate lucrurile care sunt libere să se schimbe sau să rămână aceleași, proprietatea luminii care rămâne constantă este frecvența acesteia pe măsură ce se deplasează de la vid într-un mediu, dintr-un mediu în vid sau dintr-un mediu la altul.

Dacă frecvența rămâne aceeași, totuși, înseamnă că lungimea de undă trebuie să se schimbe și, deoarece frecvența înmulțită cu lungimea de undă este egală cu viteza, asta înseamnă că viteza luminii trebuie să se schimbe pe măsură ce mediul prin care se propagă se modifică.

se poate depăși viteza luminii
Viteza luminii

O demonstrație spectaculoasă a acestui lucru este refracția luminii atunci când trece printr-o prismă. Lumina albă – ca și lumina Soarelui – este alcătuită dintr-o lumină de o varietate continuă și largă de lungimi de undă. Lungimile de undă mai mari, precum lumina roșie, posedă frecvențe mai mici, în timp ce lungimile de undă mai scurte, cum ar fi lumina albastră, posedă frecvențe mai mari. În vid, toate lungimile de undă călătoresc cu aceeași viteză: frecvența înmulțită cu lungimea de undă este egală cu viteza luminii. Lungimile de undă albastre au mai multă energie și astfel câmpurile lor electrice și magnetice sunt mai puternice decât lumina cu lungime de undă roșie.

Drept urmare, chiar dacă toată lumina călătorește mai lent printr-un mediu mediu decât vid, lumina mai roșie încetinește cu o cantitate puțin mai mică decât lumina albastră, ceea ce duce la multe fenomene optice fascinante, cum ar fi existența curcubeului.

Dar majoritatea particulelor din Univers au masă și, ca urmare, trebuie să urmeze reguli ușor diferite. Dacă ai masă, viteza luminii în vid este încă limita ta finală de viteză, dar în loc să fii obligat să călătorești cu acea viteză, este o limită pe care nu o poți atinge niciodată; te poți apropia doar de ea.

Cu cât pui mai multă energie în particulele, cu atât viteza lor se poate apropia de viteza luminii, dar nu o vor atinge niciodată. 

Cele mai energetice particule produse vreodată pe Pământ, care sunt protoni la Large Hadron Collider, pot călători incredibil de aproape de viteza luminii în vid: 299.792.455 de metri pe secundă, sau 99,999999% din viteza luminii.

Lumina călătorind printr-un mediu

Dar ce se întâmplă, atunci, dacă călătorim nu printr-un vid, ci printr-un mediu? După cum se dovedește, atunci când lumina călătorește printr-un mediu, câmpurile sale electrice și magnetice simt efectele materiei prin care trec. Aceasta are ca efect, atunci când lumina pătrunde într-un mediu, schimbarea imediată a vitezei cu care se deplasează lumina. Acesta este motivul pentru care, atunci când privești lumina care intră sau iese dintr-un mediu, sau trece de la un mediu la altul, pare să se îndoaie. 

Dar cel mai interesant fapt este următorul: particulele care se mișcă mai încet decât lumina în vid, dar mai repede decât lumina în mediul în care intră, încalcă de fapt principiul vitezei luminii. 

Acesta este singurul mod real, fizic, prin care particulele pot depăși viteza luminii. Nu pot depăși niciodată viteza luminii în vid, dar o pot depăși într-un mediu. Și când o fac, se întâmplă ceva fascinant: un tip special de radiație –  radiația Cherenkov  – este emisă.

se poate depăși viteza luminii
Radiația Cherenkov

Numită după descoperitorul său,  Pavel Cherenkov , este unul dintre acele efecte fizice care a fost observat pentru prima dată experimental. Cherenkov studia probe radioactive care fuseseră pregătite, iar unele dintre ele erau depozitate în apă. Preparatele radioactive păreau să emită o lumină slabă, cu nuanțe albăstrui și, deși Cherenkov studia luminescența, el a putut concluziona că această lumină avea o direcție preferată. Nu a fost un fenomen fluorescent, ci cu totul altceva.

Astăzi, aceeași strălucire albastră poate fi văzută în rezervoarele de apă din jurul reactoarelor nucleare: radiația Cherenkov.

Leave a comment

Adresa ta de email nu va fi publicată.