Den nylige liste over Space Magazines Top 10-historier fra 2010 inkluderede historien hurtigere end lette pulsarer opdaget - som ved videre læsning gjorde det klart, at det fænomen, der blev undersøgt, ikke var nøjagtigt bevæger sig hurtigere end lys.
Under alle omstændigheder fik dette mig til at slå op på forskellige måder, hvorpå tilsyneladende superluminal bevægelse kunne genereres, dels for at forsikre mig selv om, at bunden ikke var faldet ud af relativitetsfysik og dels for at se, om disse ting kunne forklares tilstrækkeligt på almindeligt engelsk. Her går ...
1) Årsag og virkning illusioner
Den hurtigere end lette pulsarhistorie handler i det væsentlige om hypotetiske lysbomme - som ligner en sonisk bom, hvor det ikke er den soniske bom, men lydkilden, der overskrider lydens hastighed - så individuelle lydpulser smelter sammen og danner en enkelt chokbølge, der bevæger sig med lydhastigheden.
Hvorvidt noget som dette virkelig sker med lys fra pulsarer forbliver et debatpunkt, men en af modellens fortalere har demonstreret effekten i et laboratorium - se dette Scientific American blogindlæg.
Hvad du gør er at arrangere en linje med pærer, der uafhængigt udløses. Det er let nok at få dem til at affyre i rækkefølge - først 1, derefter 2, derefter 3 osv. - og du kan fortsætte med at reducere tidsforsinkelsen mellem hver enkelt fyring, indtil du har en situation, hvor pære 2 skyder ud efter pære 1 på kortere tid end lys er nødt til at rejse afstanden mellem pærer 1 og 2. Det er bare et trick - der er ingen årsagsforbindelse mellem pærer, der skyder - men det ser ud som om en række af handlinger (først 1, derefter 2, derefter 3 osv.) flyttede hurtigere end lys over række af pærer. Denne illusion er et eksempel på tilsyneladende superluminal bevægelse.
Der er en række mulige scenarier for, hvorfor en superluminal mexicansk bølge af synkrotronstråling kan udspringe fra forskellige punktkilder omkring en hurtigt roterende neutronstjerne inden for et intensivt magnetfelt. Så længe emanationerne fra disse punktkilder ikke er årsagssammenhængende, krænker dette resultat ikke relativitetsfysikken.
2) At gøre lys hurtigere end lys
Du kan producere en tilsyneladende superluminal lysbevægelse selv ved at manipulere dens bølgelængde. Hvis vi betragter en foton som en bølgepakke, kan den bølgepakke strækkes lineært, så bølgens forkant ankommer til sin destination hurtigere, da den skubbes foran resten af bølgen - hvilket betyder, at den bevæger sig hurtigere end lys .
Den fysiske karakter af 'forkanten af en bølgepakke' er imidlertid ikke klar. Hele bølgepakken er ækvivalent med en foton - og forkanten på den udstrakte bølgepakke kan ikke indeholde nogen væsentlig information. Ved at blive strakt ud og dæmpet kan det faktisk skelnes fra baggrundsstøj.
Også dette trick kræver, at lyset bevæger sig gennem et brydningsmedium, ikke et vakuum. Hvis du er interesseret i de tekniske detaljer, kan du gøre fasehastighed eller gruppehastighed hurtigere end c (lysets hastighed i et vakuum) - men ikke signalhastighed. Under alle omstændigheder, da information (eller fotonen som en komplet enhed) ikke bevæger sig hurtigere end lys, overtrædes ikke relativitetsfysikken.
3) At få et kick ud af gain-medier
Du kan efterligne mere dramatisk superluminal bevægelse gennem et forstærkningsmedium, hvor forkanten af en lyspuls stimulerer udsendelsen af en ny puls i den fjerne ende af forstærkningsmediet - som om en lyspuls rammer den ene ende af en Newtons vugge og ny puls projiceres fra den anden ende. Hvis du vil se et laboratoriesæt, prøv her. Selvom lys ser ud til at springe mellemrummet superluminalt, er det faktisk en ny lyspuls, der dukker op i den anden ende - og stadig bare bevæger sig med standard lyshastighed.
4) Den relativistiske jet illusion
Hvis en aktiv galakse, som M87, skubber en stråle af overophedet plasma ud, der bevæger sig tæt på lysets hastighed - og jetjet er nogenlunde på linje med din synslinie fra Jorden - kan du narre til at tro, at dens indhold bevæger sig hurtigere end lys.
Hvis denne jet er 5.000 lysår lang, bør det tage mindst 5.000 år for noget i den at krydse den afstand på 5.000 lysår. Et foton, der udsendes af en partikel af jetmateriale på punkt A nær jetens start, vil virkelig tage 5.000 år at nå dig. Men i mellemtiden fortsætter partiklen med jetmateriale næsten lige så hurtigt som den foton. Så når partiklen udsender en anden foton ved punkt B, et punkt nær spidsen af strålen - den anden foton når dit øje på meget mindre end 5.000 år efter den første foton, fra punkt A. Dette vil give dig indtryk af, at partikel krydsede 5.000 lysår fra punkt A til B på meget mindre end 5.000 år. Men det er bare en optisk illusion - relativitetsfysik forbliver uudnyttet.
5) Ukendelig superluminal bevægelse
Det er fuldstændigt muligt, at objekter ud over horisonten i det observerbare univers bevæger sig væk fra vores position hurtigere end lysets hastighed - som en konsekvens af universets kumulative ekspansion, der får fjerne galakser til at synes at bevæge sig hurtigere end tæt galakser. Men da lys fra hypotetiske objekter ud over den observerbare horisont aldrig vil nå Jorden, kan deres eksistens ikke kendes ved direkte observation fra Jorden - og repræsenterer ikke en krænkelse af relativitetsfysikken.
Og til sidst er ikke så meget uvidende som teoretisk forestillingen om tidlig kosmisk inflation, som også indebærer en udvidelse af rumtid frem for bevægelse inden for rumtid - så ingen krænkelse der heller.
Andre ting…
Jeg er ikke sikker på, at ovenstående er en udtømmende liste, og jeg har bevidst udeladt andre teoretiske forslag, såsom kvanteforvikling og Alcubierre-varpdrevet. En af disse, hvis ægte, ville uden tvivl krænke relativitetsfysikken - måske måske overvejes med et højere niveau af skepsis.
