Чому швидкість світла має значення
Коли минулого тижня фізики оголосили, що вони виявили субатомні частки, звані нейтрино, швидкість руху яких, судячи з усього, більше швидкості світла, це здалося винятком з правил, встановлених спеціальною теорією відносності Альберта Ейнштейна.
Теорія Ейнштейна, яка побачила світ у 1905 році, описує відносність руху, зокрема руху за все, що рухається на рівні, що не перевищує швидкість світла. У той час люди вірили, що світлові хвилі, так само як звукові, океанські або ударні хвилі, при русі повинні проходити через середу. Однак, це середовище не повітря, вода або земля, на їхню думку, світлові хвилі подорожують через речовину, зване ефіром, яке менш відчутно, ніж повітря, і яке пронизує Всесвіт.
Вчені припустили, що закони фізики будуть дещо іншими для об`єкта, що знаходиться в стані спокою, і провівши відповідні експерименти можна було б з`ясувати, чи дійсно це так. "Ейнштейн позбувся цього", - говорить Пітер Галісон (Peter Galison), професор фізики та історії науки в Гарвардському університеті. "Немає фізичних властивостей, що описують фразу" Я перебуваю в стані спокою ". Саме про це і говорить спеціальна теорія відносності".
Іншими словами, незалежно від того, чи їде людина на велосипеді або сидить на лавці в парку, властивості фізики однаково працюють в обох випадках. Спеціальна теорія відносності, однак, не поширюється на прискорення. Ейнштейн ліквідував цю прогалину пізніше в своїй загальній теорії відносності.
Спеціальна теорія відносності грунтується ще на одному припущенні про те, що дає швидкості світла (300 мільйонів метрів в секунду в вакуумі) особливий статус. Ейнштейн постулював, що світло завжди рухається з однаковою швидкістю для кожного спостерігача, незалежно від швидкості руху спостерігача. Так що, якщо у вас досить швидкий автомобіль, то в теорії ви могли б наздогнати кулю. Але ви ніколи б не зуміли наздогнати або навіть наблизитися до руху зі швидкістю світла, незалежно від того, рухаєтеся ви з ним в одному напрямку або в протилежному від нього.
Максимальне обмеження швидкості
У теорії Ейнштейна швидкість світла є свого роду кінцевим межею швидкості. Насправді, об`єкти, які мають масу, будь то автомобіль або нейтрино, не можуть досягти швидкості світла, тому що їм для цього буде потрібно нескінченну кількість енергії, відповідно до теорії.
Деякі експерименти грають зі швидкістю світла, але одержувані ефекти ілюзорні, згідно Галісону. Світло, подорожуючи через різні середовища, наприклад, через охолоджені гази натрію, істотно сповільнюється, але це відбувається через те, що світло відскакує від атомів всередині середовища. Однак, в моменти не зіткнення атомів швидкість світла як і раніше залишається 186000 миль в секунду.
Галісон додає, що твердження про те, що швидкість світла можна зробити більше, ніж 186000 миль в секунду, також ілюзорні. Вчений використовує гіпотези для того, щоб пояснити чому. Якщо ви посвітити лазером на поверхню місяця, а потім в одну мить "пройдетеся" по всій поверхні, чи буде це означати, що ця лазерна точка буде рухатися швидше за швидкість світла? Ні, тому що насправді нічого не перетинало поверхню місяця, тому що точка - це не реальний об`єкт, це просто пучок фотонів.
"Протягом сотень років люди використовували ці та більш складні парадокси, намагаючись таким чином перевищити швидкість світла", - говорить Галісон. "Як правило, вони задіяли у своїх експериментах прискорення руху, що насправді не є об`єктом (як лазерна точка, наприклад)". Іншими словами, вони обманювали самі себе.
У лабораторних умовах дослідники можуть створити враження, ніби світло рухається швидше своєї максимальної швидкості шляхом настройки швидкості, з якою хвилі світла поширюються в просторі. Це, однак, насправді не призводить до збільшення швидкості, з якою насправді подорожує електромагнітна інформація, оскільки передається лише загальна амплітуда хвилі.
"Залізна" теорія?
З тих пір, як Ейнштейн ввів спеціальну, загальну теорії відносності, а також особливий статус, який вони надають швидкості світла, це здавалося непохитною істиною. До деякого часу. Вчені, що працюють над експериментом OPERA в лабораторії CERN в Швейцарії, запустили нейтрино в подорож на 730 кілометрів під землею, і розрахували, як швидко вони пройдуть заданий шлях. Неймовірно, але нейтрино, як виявилося, випередили швидкість світла на 60 мільярдних часток секунди. Отримані дані можуть змінити обличчя фізики, яке залишалося незмінним останні 106 років.
"Наше розуміння зовсім не розвивалося, ми проводили дуже точні тести, грунтуючись на спеціальній теорії відносності з самого першого дня", - говорить Бен Монро (Ben Monreal), доцент кафедри фізики в університеті Каліфорнії в Санта-Барбарі. "Спеціальна теорія відносності не бралася під сумнів протягом більше ста років. Ось чому отримані результати виявилися настільки дивовижними і несподіваними ".
Якщо висновки експерименту OPERA підтвердяться, то наслідки можуть бути зовсім непередбачуваними. У спеціальній теорії відносності говориться про те, що якщо щось рухається швидше за швидкість світла, то це щось рухається назад в часі. 
Таке припущення може вплинути на основне правило, яке говорить про те, що причина передує слідству, зване причинністю.
"Причина, по якій багато фізиків залишаються дуже байдужими до того, що сталося, полягає в тому, що це може зробити саму причинність дуже проблематичною", - говорить Галісон. Іншими словами, це піднімає перспективу подорожі в часі на нову висоту.
Також існує ще одна проблема. Ейнштейн ввів швидкість світла як математичну константу. Якщо швидкість руху нейтрино дійсно може перевищувати швидкість світла, то ця константа (с) втрачає свій особливий статус, що призводить до появи цілого ряду проблем в інших областях фізики, де з використовується в розрахунках.
"Тому, ми потребуємо додаткових доказів отриманої інформації", - підсумував Галісон.
