این چهار پدیده کیهانی شگفت‌انگیز سریع تر از سرعت نور حرکت می‌کنند!

MacTavish · 25/8/19

در این مطلب قصد داریم تا با 4 پدیده کیهانی جالب‌توجه آشنا شویم که در کمال ناباوری، سریع تر از سرعت نور جابه‌جا می‌شوند و بدون نقض نسبیت انیشتین، دید ما به رفتار نور و ذرات کوانتومی را متحول می‌کنند.

زمانی که آلبرت انیشتین پیش‌بینی کرد که نور در هر جای جهان با سرعت یکسان حرکت می‌کند، عدد 299,792 کیلومتر در ثانیه را به عنوان سرعت این پدیده اعلام کرد و به تعبیری یک انقلاب را در دنیای فیزیک به راه انداخت.

تا پیش از این اتفاق، جرم (اتم‌های سازنده بدن من،‌ شما و هر آنچه که می‌بینیم) و انرژی از یکدیگر جدا تلقی می‌شدند، اما انیشتین با ارائه فرمول معروف E = mc2 علاوه بر ارتباط دادن این دو ماهیت به هم اثبات کرد که هر چیزی که جرم دارد، نمی‌تواند به اندازه نور و یا بیشتر، سرعت بگیرد.

تا به امروز هم که بیش از یک قرن از دستاورد شگفت‌انگیز انیشتین می‌گذرد، نزدیک‌ترین سرعت ثبت‌شده در شتاب‌دهنده‌های ذرات فیزیک کوانتوم بوده که ذرات زیر اتمی در آن‌ها با فرآیندهای مخصوصی به چیزی در حدود 99.99 درصد سرعت نور رسیده‌اند، اما همانطور که برنده جایزه نوبل، دیوید گراس (David Gross) گفته است، این ذرات هم هرگز به عدد 299,792 کیلومتر بر ساعت نخواهند رسید.

دلیل این اتفاق هم به زبان ساده این است که برای حرکت با سرعت مورد نظر میزان بی‌نهایت انرژی مورد نیاز است و در چنین شرایط جرم ماده هم طبق فرمول انیشتین باید به بی‌نهایت برسد که چنین اتفاقی عملا غیرممکن است. اگر هم ذرات فوتون که تشکیل‌دهنده نور هستند را در نظر بگیریم، خواهیم دید که چون این ذرات جرم ندارند، حرکت سریع آن‌ها با عدد اعلام شده ممکن است.

با این تفاسیر، هستند پدیده‌هایی که بدون برهم زدن پایه‌های نسبیت خاص انیشتین و نقض قوانین ارائه‌شده، دید ما به فیزیک کوانتوم را بازتر کرده، شگفتی‌های پدیده نور را آشکار می‌کنند و در کمال تعجب سریع تر از سرعت نور حرکت می‌کنند. در همین رابـ*ـطه قصد داریم تا 4 ماهیت کیهانی از این دست پدیده‌ها را مورد بررسی قرار دهیم؛ با ما همراه باشد.

ماهیت‌هایی سریع تر از سرعت نور

1. شکستن دیوار نوری

به احتمال قوی تا به حال در مورد پدیده شکسته شدن دیوار صوتی و حرکت اجرام با سرعتی بیشتر از سرعت صوت شنیده‌اید که باعث به وجود آمدن صدایی فوق‌العاده مهیب می‌شود و به نام انفجار صوتی (Sonic boom) معروف است. با این وجود جالب است بدانیم که در حالت تئوری حرکت سریع تر از سرعت نور هم باید دیوار نوری را بشکند و نوعی انفجار نوری را به وجود بیاورد.

لحظه شکسته شدن دیوار صوتی

با وجود اینکه گفتیم حرکت ذرات دارای جرم با سرعت بیشتر از سرعت نور و یا حتی بیشتر امکان‌پذیر نیست، در شرایطی خاص و به صورت نسبی چنین اتفاقی رخ می‌دهد و حتی دیوار نوری هم شکسته می‌شود!

پدیده مورد نظر ما که با نام تابش چرنکوف (Cherenkov Radiation) شناخته می‌شود، اولین بار توسط دانشمندی روسی کشف شد و جایزه نوبل را هم در سال 1958 به خود اختصاص داد.

برای توضیح ارتباط این پدیده با شکستن دیوار نوری باید در نظر داشته باشیم که به صورت کلی در راکتورهای اتمی برای خنک نگه‌داشتن تجهیزات، هسته راکتور در زیر سطح آب قرار داده می‌شود و از طرف دیگر، می‌دانیم که نور در آب، با 75 درصد سرعت واقعی خود در شرایط خلا فضا، حرکت می‌کند.

این در حالیست که الکترون‌های ایجادشده توسط راکتور در زیر آب از ذرات نور سبقت می‌گیرند و عملا به طور نسبی، سریع تر از سرعت نور حرکت می‌کنند؛ همانطور که در مورد شکسته شدن دیوار صوتی، پدیده مورد نظر آثار فیزیکی قابل رویتی به جا می‌گذارد،‌ تابش چرنکوف هم به صورت نور آبی رنگ تصویر بالا دیده می‌شود.

البته این پدیده همیشه به صورت درخشش آبی رنگ نیست و گاهی اوقات امواج ایجادشده با حرکت سریع الکترون‌ها به صورت نور ماورا بنفش ظاهر می‌شوند. همچنین، در حالی که ذرات الکترونِ دارای جرم در زیر آب سریع تر از نور حرکت می‌کنند،‌ به صورت کلی سرعت آن‌ها از میزان 299,792 کیلومتر بر ثانیه بیشتر نمی‌شود و هیچ بخشی از نظریه انیشتین هم زیر سوال نمی‌رود.

2. ماهیت‌های بدون جرم

همانطور که اشاره شد،‌ بر طبق نسبیت خاص انیشتین هر چیزی که جرم داشته باشد نمی‌تواند سریع تر از سرعت نور حرکت کند؛ فیزیکدانان می‌دانند که این قاعده تا این لحظه در هیچ کجای کیهان نقض نشده است، اما با این حال اگر ماهیتی جرم نداشته باشد چه اتفاقی خواهد افتاد؟

فوتون‌ها در حالی که جرم ندارند، ذرات تشکیل‌ دهنده نور هستند و به همین دلیل نمی‌توانند از نور سریع تر جابه‌جا شوند؛ با این حال ماهیت دیگری در جهان که جرم ندارد، فضای خالی یا همان خلا است و اینطور که به نظر می‌رسد، امکان شکستن دیوار نوری برای آن وجود دارد؛ اختر فیزیکدان معروف، میچیو کاکو (Michio Kaku)‌ در همین رابـ*ـطه می‌گوید که خلا می‌تواند با سرعتی بیشتر از نور در فضا گسترش یابد و به واسطه اینکه در آن جرمی وجود ندارد، شکسته شدن محدودیت سرعت نوری توسط این ماهیت امکان‌پذیر خواهد بود.

فیزیکدانان هم معتقدند که اتفاقی مشابه این پدیده بلافاصله پس از انفجار بزرگ یا همان بیگ بنگ رخ داده است و بعد از آغاز هستی در جهان، رویدادی که با نام تورم کیهانی شناخته می‌شود، در زمانی فوق‌العاده کوتاه در فضای خالی سریع تر از نور گسترده شده است.

همانطور که دو دانشمند به نام‌های آلن گات (Alan Guth) و آندره لیند (Andrei Linde)‌ برای اولین بار در دهه 80 میلادی تئوری مربوط به تورم کیهانی را ارائه دادند، بعد از بیگ بنگ در مدت زمان یک تریلیونمِ یک تریلیونم ثانیه،‌ ابعاد دنیا دو برابر شده است و به همین دلیل فضای خالی لبه‌های جهان بسیار سریع تر از سرعت نور جابه‌جا شده‌اند.

3. درهم‌تنیدگی کوانتومی

همانطور که در پاراگراف‌های قبل مشاهده کردیم، پدیده‌های فیزیکی مورد بحث ما به میزان قابل‌توجهی پیچیده هستند و درک صحیح آن‌ها برای ما کاربران عادی به راحتی ممکن نیست؛ در همین رابـ*ـطه مورد بعدی از لیست به ماهیت درهم‌تنیدگی کوانتومی (Quantum entanglement) مربوط می‌شود و مانند سایر مباحث فیزیک کوانتوم نوعی ابهام و پیچیدگی با آن همراه است.

کاکو در این رابـ*ـطه اظهار کرده که بر طبق نظریه کوانتوم، با نگه‌داشتن دو الکترون در کنار هم ارتعاشات این دو ذره با هم هماهنگ می‌شود؛ حال اگر این الکترون‌ها را در فاصله‌ای معادل چند صد و یا حتی چند هزار سال نوری از هم قرار دهیم، پل ارتباطی بین دو ذره همچنان باقی خواهد ماند.

حال اگر یکی از الکترون‌ها را تکان دهیم، الکترون دیگر این اتفاق را به سرعت حس کرده و در مدت زمانی کوتاه‌تر از زمان لازم برای حرکت نور بین دو نقطه،‌ واکنش مورد انتظار در الکترون دوم دیده می‌شود.

در ابتدای مطرح شدن صحبت‌ها در مورد این پدیده انیشتین گفته بود که از آنجایی که هیچ چیز سریع تر سرعت نور حرکت نمی‌کند، چنین اتفاقی نقض‌کننده نظریه‌های فیزیک کوانتوم است؛ در سال 1935 این فیزیکدان افسانه‌ای به همراه دو دانشمند دیگر به نام‌ها برویس پودولسکی (Boris Podolsky) و ناتان روزن (Nathan Rosen)،‌ با توجه پدیده مربوط به الکترون‌ها و در تلاش برای نقض تئوری کوانتوم مقاله‌ای را حاضر کرد.

جالب است بدانیم که بعدها این کار تحقیقاتی به نام پارادوکس انیشتین-پودولسکی-روزن شناخته شد و برای توصیف ارتباط آنی مورد نظر استفاده شد؛ این ارتباط که درهم‌تنیدگی کوانتومی هم نام‌گذاری شده، بخش جدایی‌ناپذیری از برخی از پیشرفته‌ترین تکنولوژی‌های جهان مانند رمزگذاری کوانتومی به شمار می‌رود.

4. کرم ‌چاله‌ها

انیشتین با ارائه نظریه نسبیت خاص و اعلام این موضوع که هیچ ماهیت دارای جرمی نمی‌تواند سریع تر از سرعت نور جابه‌جا شود، هرگونه امید برای انجام سفرهای بین ستاره‌ای به کمک تجهیزات هوافضای مورد استفاده در حال حاضر را از بین برد.

با این حال در سال 1915 این دانشمند بزرگ با ارائه تئوری نسبت عام، اطلاعاتی از ماهیتی به نام کرم چاله (Wormhole)‌ را ارائه کرد و همانطور که با نسبیت خاص دو مفهوم انرژی و جرم به هم پیوند داده شد، در این نظریه هم انیشتین فضا و زمان را با یکدیگر مرتبط کرد.

این مفهوم شگفت‌انگیز در ادامه نسبیت خاص امید به انجام جابه‌جایی در مسافت‌های فوق‌العاده بزرگ را مجددا زنده کرد و همانطور که کاکو در این رابـ*ـطه گفته،‌ پیچیدگی فضا زمان که به نام کرم چاله هم شناخته می‌شود، احتمالا تنها راه قابل‌اعتماد برای شکستن دیوار نوری و انجام سفرهای بین ستاره‌ای و حتی بین کهکشانی است.

کرم چاله بیشتر از همه در داستان‌های علمی تخیلی به عنوان نوعی میانبر کیهانی در نظر گرفته می‌شود و هنوز شواهدی از وجود آن مستقیما دیده نشده است؛ همانطور که اشاره شد قرارگیری در چنین ماهیتی امکان رسیدن به سرعتی بالاتر از سرعت نور را فراهم می‌کند.

البته برای واقعی بودن کرم چاله باید نوعی ماده نامتعارف (Exotic matter) وجود داشته باشد که از فروپاشی این ماهیت به دلیل گرانش فوق‌العاده زیاد آن جلوگیری کرده و اصطلاحا میانبر مورد نظر را باز نگه دارد. در سال 1988 فیزیکدانی به نام کیپ تورن (Kip Thorne) با استفاده از معادلات نسبیت عام انیشتین احتمال بازماندن همیشگی کرم چاله را مطرح کرد، اما نظریه او به وجود ماده نامتعارف وابسته بود.

تورن در همین رابـ*ـطه گفته است که به لطف عجایب قوانین نظریه کوانتوم، امکان واقعی بودن ماده نامتعارف وجود دارد و حتی دانشمندان مقدار فوق‌العاده اندکی از این ماهیت را در محیط آزمایشگاهی ساخته‌اند.

تورن در سال 1988 از دانشمندان جهان خواست که تحقیقات خود را بر روی مشخص کردن امکان وجود مقدار کافی از ماده نامتعارف، برای به حقیقت پیوستن ایده کرم چاله، متمرکز کنند؛ با اینکه از آن زمان تاکنون تحقیقات بسیار گسترده‌ای در مورد درخواست تورن انجام شده، پس از گذشت سی سال هنوز نمی‌توان با اطمینان گفت که آیا ماهیت کرم چاله واقعا وجود دارد یا خیر!