Pada September 2011, fisikawan Antonio Ereditato mengejutkan dunia. Pernyataannya bisa menjungkirbalikkan pemahaman kita tentang alam semesta. Jika data yang dikumpulkan oleh 160 ilmuwan OPERA benar, hal luar biasa teramati. Partikel - dalam hal ini neutrino - bergerak lebih cepat dari cahaya. Menurut teori relativitas Einstein, ini tidak mungkin. Dan konsekuensi dari pengamatan seperti itu akan luar biasa. Mungkin dasar-dasar fisika harus direvisi.
Sementara Ereditato mengatakan bahwa dia dan timnya "sangat yakin" dengan hasil mereka, mereka tidak mengatakan bahwa datanya benar-benar akurat. Sebaliknya, mereka meminta ilmuwan lain untuk membantu mereka mencari tahu apa yang sedang terjadi.
Pada akhirnya ternyata hasil OPERA salah. Kabel yang tersambung dengan buruk menyebabkan masalah sinkronisasi dan sinyal dari satelit GPS tidak akurat. Ada penundaan tak terduga pada sinyal. Hasilnya, pengukuran waktu yang dibutuhkan neutrino untuk menempuh jarak tertentu menunjukkan tambahan 73 nanodetik: tampaknya neutrino terbang lebih cepat daripada cahaya.
Meskipun telah dilakukan pemeriksaan selama berbulan-bulan sebelum memulai eksperimen dan memeriksa ulang data setelahnya, para ilmuwan benar-benar salah. Ereditato mengundurkan diri, bertentangan dengan pernyataan banyak orang bahwa kesalahan seperti itu selalu terjadi karena kompleksitas perangkat akselerator partikel yang ekstrim.
Mengapa asumsi - hanya asumsi - bahwa sesuatu bisa bergerak lebih cepat daripada cahaya menyebabkan suara seperti itu? Seberapa yakin kita bahwa tidak ada yang bisa mengatasi penghalang ini?
Mari kita lihat pertanyaan kedua terlebih dahulu. Kecepatan cahaya dalam ruang hampa adalah 299.792,458 kilometer per detik - untuk kenyamanan, angka ini dibulatkan menjadi 300.000 kilometer per detik. Cukup cepat. Matahari berada 150 juta kilometer dari Bumi, dan cahaya darinya mencapai Bumi hanya dalam delapan menit dua puluh detik.
Bisakah kreasi kita bersaing dalam perlombaan melawan cahaya? Salah satu objek buatan manusia tercepat yang pernah dibuat, wahana antariksa New Horizons melesat melewati Pluto dan Charon pada Juli 2015. Dia mencapai kecepatan relatif terhadap Bumi 16 km / s. Jauh kurang dari 300.000 km / s.
Namun, kami memiliki partikel kecil yang bergerak sangat cepat. Pada awal 1960-an, William Bertozzi di Massachusetts Institute of Technology bereksperimen dengan percepatan elektron ke kecepatan yang lebih tinggi.
Video promosi:
Karena elektron bermuatan negatif, mereka dapat dipercepat - lebih tepatnya tolakan - dengan menerapkan muatan negatif yang sama ke material. Semakin banyak energi yang digunakan, semakin cepat elektron berakselerasi.
Orang akan berpikir bahwa Anda hanya perlu meningkatkan energi yang diterapkan untuk berakselerasi hingga kecepatan 300.000 km / s. Tapi ternyata elektron tidak bisa bergerak secepat itu. Eksperimen Bertozzi menunjukkan bahwa menggunakan lebih banyak energi tidak menyebabkan peningkatan kecepatan elektron secara proporsional.
Sebaliknya, sejumlah besar energi tambahan harus diterapkan untuk mengubah kecepatan elektron bahkan sedikit. Itu semakin mendekati dan mendekati kecepatan cahaya, tetapi tidak pernah mencapainya.
Bayangkan berjalan menuju pintu dalam langkah-langkah kecil, yang masing-masing menempuh jarak setengah dari posisi Anda saat ini ke pintu. Sebenarnya, Anda tidak akan pernah sampai ke pintu, karena setelah setiap langkah yang Anda ambil, Anda akan memiliki jarak untuk diatasi. Bertozzi menghadapi masalah seperti itu saat berurusan dengan elektronnya.
Tapi cahaya terdiri dari partikel yang disebut foton. Mengapa partikel-partikel ini bisa bergerak dengan kecepatan cahaya, tetapi elektron tidak bisa?
“Saat benda bergerak semakin cepat, benda itu menjadi lebih berat - semakin berat benda itu, semakin sulit bagi mereka untuk berakselerasi, jadi Anda tidak akan pernah mencapai kecepatan cahaya,” kata Roger Rassoul, fisikawan dari Universitas Melbourne di Australia. “Foton tidak memiliki massa. Jika dia memiliki massa, dia tidak bisa bergerak dengan kecepatan cahaya."
Foton itu spesial. Mereka tidak hanya kekurangan massa, yang memberi mereka kebebasan penuh untuk bergerak dalam ruang hampa, mereka juga tidak perlu berakselerasi. Energi alam yang mereka miliki bergerak dalam gelombang, seperti yang mereka lakukan, jadi pada saat penciptaan mereka, kecepatan maksimum sudah mereka miliki. Dalam arti tertentu, lebih mudah untuk menganggap cahaya sebagai energi daripada aliran partikel, meskipun sebenarnya, cahaya adalah keduanya.
Namun, perjalanan cahaya jauh lebih lambat dari yang kita duga. Sementara para teknisi internet senang berbicara tentang komunikasi yang beroperasi pada "kecepatan cahaya" dalam serat, cahaya bergerak 40% lebih lambat di dalam gelas serat itu daripada di ruang hampa.
Pada kenyataannya, foton bergerak dengan kecepatan 300.000 km / s, tetapi mereka menghadapi sejumlah gangguan, gangguan yang disebabkan oleh foton lain yang dipancarkan oleh atom kaca ketika gelombang cahaya utama lewat. Ini mungkin tidak mudah untuk dipahami, tetapi setidaknya kami telah mencoba.
Dengan cara yang sama, dalam rangka eksperimen khusus dengan foton individu, dimungkinkan untuk memperlambatnya dengan cukup mengesankan. Tetapi dalam banyak kasus, jumlah 300.000 akan valid. Kami belum melihat atau menciptakan sesuatu yang bisa bergerak secepat, atau bahkan lebih cepat. Ada poin-poin khusus, tapi sebelum kita menyentuhnya, mari kita bahas pertanyaan kita yang lain. Mengapa begitu penting agar aturan kecepatan cahaya dipatuhi dengan ketat?
Jawabannya ada hubungannya dengan seorang pria bernama Albert Einstein, seperti yang sering terjadi dalam fisika. Teori relativitas khususnya meneliti banyak konsekuensi dari batas kecepatan universal. Salah satu elemen terpenting dari teori ini adalah gagasan bahwa kecepatan cahaya adalah konstan. Tidak peduli di mana Anda berada atau seberapa cepat Anda bergerak, cahaya selalu bergerak dengan kecepatan yang sama.
Tetapi ini memiliki beberapa masalah konseptual.
Bayangkan cahaya jatuh dari senter ke cermin di langit-langit pesawat ruang angkasa yang tidak bergerak. Cahaya naik, dipantulkan dari cermin dan jatuh ke lantai pesawat ruang angkasa. Misalkan dia menempuh jarak 10 meter.
Sekarang bayangkan pesawat ruang angkasa ini mulai bergerak dengan kecepatan kolosal ribuan kilometer per detik. Saat Anda menyalakan senter, cahayanya berperilaku seperti sebelumnya: bersinar ke atas, menyentuh cermin, dan dipantulkan ke lantai. Tetapi untuk melakukan ini, cahaya harus menempuh jarak diagonal, bukan vertikal. Bagaimanapun, cermin sekarang bergerak cepat dengan pesawat ruang angkasa.
Sejalan dengan itu, jarak yang ditempuh cahaya meningkat. Katakanlah 5 meter. Ternyata totalnya 15 meter, bukan 10.
Meski demikian, meski jaraknya bertambah, teori Einstein menyatakan bahwa cahaya akan tetap bergerak dengan kecepatan yang sama. Karena kecepatan adalah jarak dibagi waktu, karena kecepatan tetap sama dan jarak bertambah, waktu juga harus bertambah. Ya, waktu itu sendiri harus diperpanjang. Meski terdengar aneh, hal itu telah dikonfirmasi secara eksperimental.
Fenomena ini disebut dilatasi waktu. Waktu bergerak lebih lambat untuk orang yang bergerak dengan kendaraan yang bergerak cepat, dibandingkan dengan mereka yang tidak bergerak.
Misalnya, waktu berlalu 0,007 detik lebih lambat untuk astronot di Stasiun Luar Angkasa Internasional, yang bergerak dengan kecepatan 7,66 km / detik relatif terhadap Bumi, jika dibandingkan dengan manusia di planet ini. Yang lebih menarik adalah situasi dengan partikel seperti elektron yang disebutkan di atas, yang dapat bergerak mendekati kecepatan cahaya. Dalam kasus partikel ini, tingkat retardasinya akan sangat besar.
Stephen Colthammer, fisikawan eksperimental di Universitas Oxford di Inggris, menunjukkan contoh partikel yang disebut muon.
Muon tidak stabil: mereka dengan cepat membusuk menjadi partikel yang lebih sederhana. Begitu cepat sehingga sebagian besar muon yang meninggalkan Matahari akan membusuk saat mencapai Bumi. Namun dalam kenyataannya, muon tiba ke Bumi dari Matahari dalam jumlah yang sangat besar. Fisikawan telah lama mencoba mencari tahu mengapa.
“Jawaban atas misteri ini adalah bahwa muon dihasilkan dengan energi sedemikian rupa sehingga mereka bergerak dengan kecepatan yang mendekati cahaya,” kata Kolthammer. "Pengertian waktu mereka, bisa dikatakan, jam internal mereka berjalan lambat."
Muon "bertahan hidup" lebih lama dari yang diharapkan relatif terhadap kita, berkat kelengkungan alam saat ini. Saat objek bergerak cepat relatif terhadap objek lain, panjangnya juga berkurang, berkontraksi. Konsekuensi ini, pelebaran waktu dan penurunan panjang, adalah contoh bagaimana ruangwaktu berubah bergantung pada pergerakan benda - saya, Anda, atau pesawat ruang angkasa - dengan massa.
Yang penting, seperti yang dikatakan Einstein, tidak mempengaruhi cahaya, karena tidak bermassa. Inilah mengapa prinsip-prinsip ini berjalan seiring. Jika benda bisa bergerak lebih cepat dari cahaya, mereka akan mematuhi hukum dasar yang menjelaskan cara kerja alam semesta. Ini adalah prinsip utama. Sekarang kita dapat berbicara tentang beberapa pengecualian dan pengurangan.
Di satu sisi, meskipun kita belum melihat apapun yang bergerak lebih cepat dari cahaya, ini tidak berarti bahwa batas kecepatan ini secara teoritis tidak dapat dipatahkan dalam kondisi yang sangat spesifik. Ambil contoh, perluasan alam semesta itu sendiri. Galaksi di alam semesta bergerak menjauh satu sama lain dengan kecepatan yang jauh lebih cepat daripada cahaya.
Situasi menarik lainnya menyangkut partikel yang memiliki sifat yang sama pada saat yang sama, tidak peduli seberapa jauh satu sama lain. Inilah yang disebut "keterjeratan kuantum". Foton akan berputar ke atas dan ke bawah, secara acak memilih dari dua kondisi yang memungkinkan, tetapi pilihan arah rotasi akan secara akurat merefleksikan foton lain di tempat lain jika terjerat.
Dua ilmuwan, masing-masing mempelajari foton mereka sendiri, akan mendapatkan hasil yang sama secara bersamaan, lebih cepat dari kecepatan cahaya yang memungkinkan.
Namun demikian, dalam kedua contoh ini, penting untuk diperhatikan bahwa tidak ada informasi yang bergerak lebih cepat dari kecepatan cahaya antara dua objek. Kita dapat menghitung perluasan alam semesta, tetapi kita tidak dapat mengamati objek lebih cepat dari cahaya di dalamnya: mereka telah menghilang dari bidang pandang.
Adapun dua ilmuwan dengan foton mereka, meskipun mereka bisa mendapatkan hasil yang sama pada saat yang sama, mereka tidak dapat membiarkan satu sama lain mengetahuinya lebih cepat daripada cahaya yang bergerak di antara mereka.
“Ini tidak menimbulkan masalah bagi kami, karena jika Anda dapat mengirim sinyal lebih cepat daripada cahaya, Anda mendapatkan paradoks aneh yang menurutnya informasi dapat berjalan ke masa lalu,” kata Kolthammer.
Ada cara lain yang memungkinkan untuk melakukan perjalanan yang lebih cepat dari cahaya secara teknis: celah dalam ruang-waktu yang memungkinkan pelancong menghindari aturan perjalanan normal.
Gerald Cleaver dari Baylor University di Texas percaya bahwa suatu hari kita mungkin dapat membuat pesawat ruang angkasa yang bergerak lebih cepat daripada cahaya. Yang bergerak melalui lubang cacing. Lubang cacing adalah lingkaran dalam ruang-waktu yang sangat cocok dengan teori Einstein. Mereka dapat memungkinkan seorang astronot untuk melompat dari satu ujung alam semesta ke ujung lainnya menggunakan anomali ruangwaktu, suatu bentuk jalan pintas kosmik.
Sebuah benda yang berjalan melalui lubang cacing tidak akan melebihi kecepatan cahaya, tetapi secara teoritis dapat mencapai tujuannya lebih cepat daripada cahaya yang berjalan di sepanjang jalur "normal". Tetapi lubang cacing mungkin tidak dapat diakses sama sekali untuk perjalanan luar angkasa. Mungkinkah ada cara lain untuk secara aktif mendistorsi ruang waktu agar bergerak lebih cepat dari 300.000 km / d dibandingkan dengan orang lain?
Cleaver juga mengeksplorasi ide tentang "mesin Alcubierre" yang diajukan oleh fisikawan teoretis Miguel Alcubierre pada tahun 1994. Dia menggambarkan situasi di mana ruangwaktu berkontraksi di depan pesawat ruang angkasa, mendorongnya ke depan, dan mengembang di belakangnya, juga mendorongnya ke depan. "Tapi kemudian," kata Cleaver, "masalah muncul: bagaimana melakukannya dan berapa banyak energi yang dibutuhkan."
Pada 2008, dia dan mahasiswa pascasarjana Richard Aubosie menghitung berapa banyak energi yang dibutuhkan.
"Kami membayangkan pesawat ruang angkasa 10m x 10m x 10m - 1.000 meter kubik - dan menghitung bahwa jumlah energi yang dibutuhkan untuk memulai proses akan setara dengan massa seluruh Jupiter."
Setelah itu, energi harus terus menerus "dikucurkan" agar prosesnya tidak berakhir. Tidak ada yang tahu apakah ini mungkin, atau seperti apa teknologi yang dibutuhkan. "Saya tidak ingin dikutip selama berabad-abad sebagai prediksi sesuatu yang tidak akan pernah terjadi," kata Cleaver, "tetapi saya belum melihat solusi."
Jadi, perjalanan yang lebih cepat dari kecepatan cahaya tetap menjadi fantasi saat ini. Sejauh ini, satu-satunya cara untuk mengunjungi planet ekstrasurya selama hidup adalah terjun ke dalam kondisi mati suri. Namun tidak semuanya buruk. Dalam kebanyakan kasus, kami berbicara tentang cahaya tampak. Namun kenyataannya, cahaya jauh lebih banyak. Dari gelombang radio dan gelombang mikro hingga cahaya tampak, radiasi ultraviolet, sinar-X dan sinar gamma yang dipancarkan oleh atom-atom saat mereka membusuk, sinar-sinar indah ini semuanya tersusun dari hal yang sama: foton.
Perbedaannya terletak pada energi, yang berarti panjang gelombang. Bersama-sama, sinar ini membentuk spektrum elektromagnetik. Fakta bahwa gelombang radio, misalnya, bergerak dengan kecepatan cahaya sangatlah berguna untuk komunikasi.
Dalam penelitiannya, Kolthammer menciptakan sirkuit yang menggunakan foton untuk mentransfer sinyal dari satu bagian sirkuit ke bagian lain, sehingga dia berhak mengomentari kegunaan kecepatan cahaya yang luar biasa.
“Fakta bahwa kami membangun infrastruktur Internet, misalnya, dan sebelumnya radio berbasis cahaya, berkaitan dengan kemudahan yang kami dapat mengirimkannya,” catatnya. Dan dia menambahkan bahwa cahaya bertindak sebagai kekuatan komunikasi alam semesta. Ketika elektron di ponsel mulai bergetar, foton terbang keluar dan menyebabkan elektron di ponsel lain juga bergetar. Beginilah cara panggilan telepon lahir. Getaran elektron di Matahari juga memancarkan foton - dalam jumlah besar - yang, tentu saja, membentuk cahaya yang memberi kehangatan bagi kehidupan dan, ahem, cahaya.
Cahaya adalah bahasa universal alam semesta. Kecepatannya - 299 792,458 km / s - tetap konstan. Sedangkan ruang dan waktu bersifat lunak. Mungkin kita seharusnya tidak memikirkan tentang bagaimana bergerak lebih cepat dari cahaya, tetapi bagaimana bergerak lebih cepat melalui ruang ini dan kali ini? Untuk dewasa di akarnya, jadi untuk berbicara?
