Είναι δυνατή η μετακίνηση με ταχύτητα μεγαλύτερη του φωτός;

Η γρήγορη απάντηση σε ένα τέτοιο ερώτημα είναι “όχι επειδή η Ειδική Θεωρία της Σχετικότητας το απαγορεύει”. Αυτή θα ήταν μια σχετικά απρόσεχτη απάντηση. Η Ε.Θ.Σ. απαγορεύει σε μια μάζα να κινείται με ταχύτητα μεγαλύτερη του φωτός (faster than light, ftl). Το ίδιο το σύμπαν όμως μπορεί να διαστέλλεται – και το κάνει! – με ταχύτητες μεγαλύτερες του φωτός. Ακόμη και τα σωματίδια, αν κατανοούμε σωστά αυτό που παρατηρούμε, φαίνεται να αλληλεπιδρούν με ταχύτητες μεγαλύτερες του φωτός.

Οι θεωρίες που έχουμε για τη περιγραφή του κόσμου, μοιάζει να αφήνουν ένα ανοικτό παράθυρο στο ερώτημα αυτό.

Και πράγματι, θεωρητικά μοντέλα για την επίτευξη ενός μηχανισμού που θα μπορεί να κινείται με ταχύτητα μεγαλύτερη του φωτός έχουν προταθεί, και θα τους ρίξουμε μια ματιά στη συνέχεια του άρθρου. Δεν είναι αυτό το κύριο θέμα του άρθρου όμως. Δεν μας ενδιαφέρει να γράψουμε μια ακόμη φορά για τις προσπάθειες που έχουν γίνει από την επιστήμη προς αυτό το τομέα.

Αυτό που θέλουμε είναι μια οριστική απάντηση. Όπως θα δούμε παρακάτω, η διαδικασία που ακολουθείται σε όλες τις προσπάθειες δημιουργίας κάποιας “εξωτικής” τεχνολογίας, είναι οι παρακάτω:

• Αρχικά παρατηρείται ότι η τεχνολογία είναι αδύνατη σύμφωνα με τους νόμους της φυσικής. Έπειτα:
• Ανακαλύπτεται ένα παράθυρο που επιτρέπει τη θεωρητική υπόσταση της συγκεκριμένης τεχνολογίας.
• Δημιουργείται ένα θεωρητικό πλαίσιο, το οποίο δείχνει ότι κατ΄ αρχήν η τεχνολογία είναι δυνατή.
• Ανακαλύπτονται κενά στο πλαίσιο, τα οποία είτε καταδεικνύουν το πρακτικά ανεφάρμοστο της τεχνολογίας είτε δημιουργούν επιπλέον θεωρητικές δυσκολίες.
• Δημοσιοποιούνται ίσως νέα paper τα οποία προσπερνούν τις νέες θεωρητικές δυσκολίες.

Και η διαδικασία συνεχίζεται έτσι, αφήνοντας ανοικτά τα θεμελιώδη ερωτήματα:

• Είναι τελικά θεωρητικά εφικτή η κατασκευή της τεχνολογίας αυτής;
• Η πρακτική εφαρμογή είναι τεχνικά εντελώς αδύνατη, ό,τι τεχνολογία κι αν αποκτήσουμε; Ή,
• Το πρόβλημα στη κατασκευή της είναι καθαρά μηχανικό, που στο μακρινό μέλλον θα μπορέσει τελικά να ξεπεραστεί;

Συμβαίνει κι αλλού

Όλες οι εξωτικές τεχνολογίες που γοητεύουν τους λάτρεις της επιστημονικής φαντασίας περνούν από τα ίδια στάδια. Για παράδειγμα, είχαμε δει στο άρθρο για το ταξίδι στο χρόνο κάποιες από τις προτάσεις που έχουν γίνει για την επίτευξή του, οι οποίες έχουν ακολουθήσει τη παραπάνω διαδρομή. Το ίδιο συμβαίνει και με τη τηλεμεταφορά. Την οποία μάλιστα, επειδή στη πράξη αποτελεί αποτελεί την ακραία περίπτωση κίνησης ftl ταχύτητας, δηλ. μεταφορά με άπειρη ταχύτητα, θα την εξετάσουμε παράλληλα με αυτή.

Ας τα πάρουμε με τη σειρά.

Στο άρθρο θα μας απασχολήσουν δύο έννοιες.

• Η μετακίνηση, είτε ενός σώματος, είτε μιας πληροφορίας, με ταχύτητες μεγαλύτερες του φωτός. Και
• Η τηλεμεταφορά ύλης ή πληροφορίας.

Θα ρίξουμε πρώτα μια γρήγορη ματιά για το τι έχει πει μέχρι στιγμής η επιστήμη γι΄ αυτά. Τι έχει πραγματοποιηθεί μέχρι στιγμής και τι όχι.

Και το σημαντικότερο απ΄ όλα:

Θα δώσουμε μια οριστική απάντηση στο ερώτημα που μας ενδιαφέρει. Ανεξάρτητα με το πόσα χρόνια αν περάσουν, τι τεχνολογία θα απαιτηθεί και πόσο ικανοί ή ανίκανοι θα αποδειχθούμε:

Είναι τελικά δυνατή η μετακίνηση με ταχύτητα μεγαλύτερη του φωτός;
Είναι δυνατή η τηλεμεταφορά;

Και για τα δύο ερωτήματα, έχουμε μια οριστική, τελική απάντηση.

Τι έχει πει η επιστήμη έως τώρα.

Ξεκινάμε με τα ftl ταξίδια και τις προσπάθειες που έχουν γίνει ως τώρα να αποδειχτεί ότι κατ΄ αρχήν δεν είναι αδύνατα.

Ταχύτητα μεγαλύτερη του φωτός

Για την Ειδική Θεωρία της Σχετικότητας πρέπει να συνειδητοποιήσουμε δύο πράγματα. Πρώτον, ότι είναι η καλύτερη προσέγγιση που έχει δημιουργήσει ποτέ η ανθρωπότητα για τη λειτουργία της φύσης. Είναι η περισσότερο επαληθευμένη θεωρία απ΄ όσες έχουμε δημιουργήσει, οι δε καθημερινές τεχνολογίες που χρησιμοποιούμε θα ήταν αδύνατο να υπάρχουν χωρίς τη θεωρία αυτή. Με απλά λόγια, είναι μια αδιαμφισβήτητα σωστή θεωρία.

Το δεύτερο που πρέπει να ξέρουμε είναι αυτό που αναφέραμε στην αρχή του άρθρου. Πως η θεωρία αυτή, δεν επιτρέπει κίνηση με ταχύτητα μεγαλύτερη του φωτός.

Παρ΄ όλα αυτά, κάποιοι φυσικοί φαίνεται να έχουν βρει τρόπο να προσπεράσουν αυτό το εμπόδιο.

Warp Drive (κινητήρας Δίνης)

Η ιδέα γεννήθηκε το 1957 από τον John W. Campbell στο μυθιστόρημά του Islands of Space. Έγινε γνωστή από τη σειρά Star Trek και μετά την επιστημονική φαντασία, τη σκυτάλη τη πήρε η ίδια η επιστήμη.

Τον Σεπτέμβριο του 2000 ο Φυσικός Micuel Alcubierre δημοσίευσε μια εργασία με τίτλο “Το warp drive: ταξίδι με ταχύτητα μεγαλύτερη του φωτός μέσω της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας“. Όπως έγραφε στην εισαγωγή,

Καταδεικνύεται πως, μέσω της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας και χωρίς τη χρήση σκουλικότρυπων, ότι είναι δυνατή η τροποποίηση του χωρόχρονου με τέτοιο τρόπο που να επιτρέπει σε ένα διαστημόπλοιο να ταξιδεύει με αυθαίρετα μεγάλη ταχύτητα.

Micuel Alcubierre, 2000, Πανεπιστήμιο Wales

Η κεντρική ιδέα είναι η εξής. Η ταχύτητα στο χωρόχρονο με ταχύτητα μεγαλύτερη του φωτός είναι αδύνατη. Αυτό που είναι δυνατόν όμως είναι να στρεβλωθεί ο ίδιος ο χωρόχρονος και συγκεκριμένα:

• Να “συρρικνωθεί” μπροστά από το διαστημόπλοιο με ταχύτητα μεγαλύτερη του φωτός.
• Να “απλωθεί” πίσω από αυτό, επανερχόμενος στη κανονική του μορφή.

Ήταν μια πολύ ελπιδοφόρα δημοσίευση, που μετέτρεπε το ftl ταξίδι από εντελώς αδύνατο σε εξωφρενικά δύσκολο, αλλά η όποια ελπίδα δεν κράτησε πολύ.

Αντιδράσεις

Η πρώτη διαφωνία ήρθε λίγους μήνες αργότερα. Τροποποιώντας μια παλαιότερη εργασία του, ο Michael Pfenning από το Medford της Μασαχουσέτης τη δημοσιεύει εκ΄ νέου με το τίτλο “Η μη-φυσική φύση του Warp Drive“. Στο paper αυτό αποδεικνύει αμετάκλητα πως το πάχος της φυσαλίδας θα είναι αναγκαστικά τόσο λεπτό, ώστε οι δυνάμεις που δημιουργούνται θα τη κάνουν ασταθή και πρακτικά θα τη διαλύσουν.

Η ένσταση με μια έννοια θα μπορούσε εύκολα να χαρακτηριστεί πρακτικού, μηχανικού χαρακτήρα. Θα μπορούσε να υποστηριχτεί – χωρίς δυστυχώς να γνωρίζω αν έχει γίνει κάτι τέτοιο – πως, με κάποια τροποποίηση της θεωρίας, το πρόβλημα θα μπορούσε να ξεπεραστεί. Αλλά πολύ σύντομα ήρθε ένα ακόμη χτύπημα.

Το 2009 ήρθε η σειρά των Stefano Finazzi, Stefano Liberati, Carlos Barceló. Στη δημοσίευσή τους με τον εξωτικό τίτλο “Ημικλασσική αστάθεια των δυναμικών Warp Drives” δείχνουν πως στο εσωτερικό της φούσκας θα δημιουργηθεί τόσο έντονη ακτινοβολία Hawking, που πρακτικά καμία ύλη δεν θα μπορέσει να αντέξει τις θερμοκρασίες που θα δημιουργηθούν.

Αλλά και πάλι, σε εμάς τους αδαής παραμένει το ερώτημα. Κι αν ξεπεραστούν και αυτά τα προβλήματα; Κι αν δημιουργηθεί κάποιο υλικό που να μπορέσει να παραμείνει σταθερό, κι αν βρεθεί τρόπος αποβολής αυτής της θερμότητας έξω από τη φούσκα;

Και αν όχι, έχουμε κι άλλες επιλογές.

Jumpspace, σκουλικότρηπες

Στις μεταφράσεις των αντίστοιχων βιβλίων επιστημονικής φαντασίας που χρησιμοποιούν τη τεχνική του jumpspace βλέπουμε τον όρο “πήδημα”. Η ιδέα ξεκίνησε από τα comics το 1931 και την έκανε γνωστή ο Isaac Asimov στη “Γαλαξιακή Αυτοκρατορία”.

Πως λειτουργεί: Το διαστημόπλοιο αφού απομακρυνθεί από τον όποιο έντονα στρεβλωμένο από τη βαρύτητα χώρο, ετοιμάζεται για το Πήδημα. Δημιουργεί μια “πύλη” μέσω κάποιας ανώτερης διάστασης (ε;). Μέσω αυτής εισέρχεται στο Υπερδιάστημα (το ποιο;). Το ταξίδι που συνεχίζεται με κανονικές ταχύτητες οι επιβάτες δεν μπορούν να το αντιληφθούν για το λόγο ότι δεν μπορούν να αντιληφθούν τις επιπλέον διαστάσεις. Κανείς δεν γνωρίζει πόσο χρόνο διαρκεί “εκεί” το ταξίδι και κανείς δεν ενδιαφέρεται γι΄ αυτό, εφ΄ όσον μετά το τερματισμό του και μέσω μιας άλλης πύλης που έχει και πάλι ανοίξει το διαστημόπλοιο σε κάποιο άλλο σημείο του χωροχρόνου, οι πάντες βγαίνουν αλώβητοι νιώθοντας ότι έχουν μεταφερθεί ακαριαία.

Παραδεχτείτε το, ακούγεται γοητευτικό.

Η ίδια η φυσική έχει ασχοληθεί θεωρητικά με το όλο ζήτημα μέσω των σκουλικότρυπων (ή χωροχρονικών σηράγγων), τις οποίες έχουμε δει σε παλαιότερο άρθρο. Να αναφέρουμε εδώ μόνο ότι στις όποιες θεωρητικές προσπάθειες έγιναν, ο S. Hawking έδειξε ότι τέτοιες πύλες θα είναι τόσο ασταθείς που θα καταρρέουν ακαριαία.

Όπου εδώ, και πάλι έρχεται η ερώτηση εμένα του αδαή: κι αν τελικά βρεθεί τρόπος να παρακαμφθεί η κατάρρευση, κι αν καταφέρουμε να τις κάνουμε σταθερές; Στο προαναφερθέν άρθρο εξετάσαμε και βρήκαμε προβληματική μόνο τη περίπτωση της μεταφοράς σε διαφορετικές χρονικές συντεταγμένες. Για τη μεταφορά στο χώρο έχουμε και πάλι οριστική, τελική απάντηση; Η ελπίδα πεθαίνει τελευταία και συνεχίζουμε.

Τηλεμεταφορά

Ως τηλεμεταφορά ορίζουμε τη μετάβαση μιας μάζας ή πληροφορίας από ένα σημείο του τριδιάστατου χώρου σε ένα άλλο, χωρίς πρακτικά να μεταβληθεί η τιμή της χρονικής διάστασης του χωροχρόνου. Με λίγα λόγια, είναι η ακαριαία μεταφορά σώματος ή πληροφορίας από ένα σημείο σε ένα άλλο.

Και αυτό φαίνεται να μην είναι παρά ακραία παρανοϊκή φαντασία, αλλά και πάλι οι φυσικοί εκ πρώτης όψεως φαίνεται να διαφωνούν.

Κάντε μια αναζήτηση στη Google για τη τηλεμεταφορά. Με παρόμοιο τρόπο που είχαμε δει στο άρθρο για τον Oumuamua κυριαρχούν κι εδώ τα fake-news sites με τίτλους “η Τηλεμεταφορά είναι πραγματικότητα”, επιστρατεύοντας – ως συνήθως – και δηλώσεις(;) επώνυμων επιστημόνων.

Εδώ όμως θα δούμε επιπλέον κάτι διαφορετικό. Πέρα από τους συνήθης υπόπτους, θα ανακαλύψουμε και αξιόπιστες σελίδας που τοποθετούν τη τηλεμεταφορά το μακρινό μέλλον – πάντως, τη τοποθετούν. Τι συμβαίνει, τι έχει κάνει ως τώρα η επιστήμη πάνω σε αυτό;

Κβαντική διεμπλοκή

Υπάρχει κάτι περίεργο που συμβαίνει σε δύο διεμπλεκόμενα σωματίδια. Βασικά η όλη συμπεριφορά των σωματιδίων είναι περίεργη. Μάλλον, πάμε από την αρχή.

Αυτό που, για να δείξουμε ότι είμαστε όντα με χιούμορ, ονομάζουμε κατανόησή μας για το μικρόκοσμο, το περιγράφει η κβαντομηχανική. Η κβαντομηχανική είναι περίεργη. Και όταν λέω περίεργη, δεν εννοώ κάτι όπως όταν κάποιος φοράει ένα πολύχρωμο καπέλο και κυκλοφορεί στο δρόμο. Εννοώ πραγματικά περίεργη. Η κβαντομηχανική περιγράφει ένα κόσμο που δεν μοιάζει να έχει κανένα φυσικό νόημα, ένα κόσμο που, ενώ στις περισσότερες περιπτώσεις παραμένει συνεπής, μοιάζει να αψηφά οτιδήποτε έχουμε μάθει να αποκαλούμε “λογικό”. Και λέω στις περισσότερες περιπτώσεις, γιατί υπάρχει τουλάχιστον μια που μοιάζει να παραβιάζει ακόμη και τη συνέπεια του σύμπαντος.

Και αυτή, όπως λέει ο και τίτλος της ενότητας, είναι η περίπτωση της κβαντικής διεμπλοκής. Με πολύ λίγα λόγια να πούμε τι είναι αυτό.

Κάθε υποατομικό σωματίδιο χαρακτηρίζεται από κάποια μεγέθη, με ένα από αυτά να είναι η περιστροφή (spin). Για απλοποίηση θα αποφύγω να δώσω λεπτομέρειες για την αναγκαιότητα επιλογής διεύθυνσης κατά τη μέτρηση της περιστροφής, έτσι θα πω (ατελώς) ότι η κατεύθυνση της περιστροφής ενός σωματιδίου μπορεί να είναι η πάνω ή η κάτω.

Εδώ έχουμε το ένα από τα περίεργα. Παραπάνω δεν ήμουν ακριβής, και όχι για το λόγο που περιέγραψα. Η κβαντομηχανική λέει ότι η περιστροφή ενός σωματιδίου μπορεί να έχει οποιαδήποτε κατεύθυνση. Η κατεύθυνσή του θα γίνει ή πάνω ή κάτω, μόνο αφού τη μετρήσουμε. Αυτό (και πολλά, πάρα μα πάρα πολλά ακόμη) είναι ένα από τα περίεργα της κβαντομηχανικής, αλλά το μόνο που παραβιάζει μέχρι στιγμής είναι την ικανότητά μας να κατανοούμε, όχι τη συνέπεια του σύμπαντος.

Και φυσικά έπεται συνέχεια.

Δύο σωματίδια

Αν μετρήσουμε δύο σωματίδια Α και Β, τα πιθανά αποτελέσματα που μπορεί να βρούμε δεν μας εκπλήσσουν. Θυμίζω πως πριν από τη μέτρηση μπορεί να έχουν οποιαδήποτε κατεύθυνση, μετά τη μέτρησή τους όμως αυτό που μπορούμε να βρούμε είναι ότι κατεύθυνσή τους είναι

• και των δύο προς τα πάνω
• και των δύο προς τα κάτω
• του Α προς τα πάνω και του Β προς τα κάτω ή
• του Α προς τα κάτω και του Β προς τα πάνω.

Και προχωράμε σιγά σιγά προς το περίεργο.

Μπορούμε από ένα σωματίδιο με μηδενική περιστροφή να δημιουργήσουμε με διάσπασή του δύο νέα σωματίδια. Επειδή η συνολική περιστροφή του συστήματος ήταν μηδέν, αναγκαστικά τα δύο σωματίδια θα έχουν δύο αντίθετες περιστροφές, το ένα προς τα πάνω και το άλλο προς τα κάτω. Σε μια τέτοια περίπτωση, έχουμε όπως λέμε δύο σωματίδια σε διεμπλοκή. Θυμηθείτε το σημαντικό σε αυτή την ιστορία, πως πριν τη μέτρησή μας το καθένα έχει οποιαδήποτε κατεύθυνση θέλει. Δεν υπάρχει δηλαδή μια προκαθορισμένη κατάσταση για τα δύο σωματίδια. Αλλά αμέσως μετά τη μέτρηση, αν η περιστροφή του ενός είναι προς τα επάνω, τότε αυτόματα του άλλου καθορίζεται να είναι προς τα κάτω.

Γιατί αυτό είναι περίεργο; Γιατί μοιάζει σαν το καθένα σωματίδιο να γνωρίζει τι περιστροφή θα προκύψει στο άλλο. Έτσι, αν μετρήσουμε περιστροφή προς τα πάνω (που ξαναλέω, δεν είναι εγγενής του, δεν είναι προκαθορισμένη πριν τη διάσπαση), το άλλο συμπεριφέρεται σα να ξέρει το αποτέλεσμα της μέτρησης και ορίζει τη δική συμπεριφορά – θα τη μετρήσουμε προς τα κάτω. Είναι σαν το ένα σωματίδιο να μεταφέρει τη πληροφορία στο άλλο.

Ωραία, αυτό είναι ένα ακόμη περίεργο. Γιατί μοιάζει να είναι αντιφατικό, να καταστρέφει τη συνέπεια του σύμπαντος;

Μέτρηση από απόσταση

Η “πληροφορία” αυτή μοιάζει μεταφέρεται ακαριαία. Τα πειράματα που έχουν γίνει έχουν ακολουθήσει τα παρακάτω βήματα.

• Δημιουργήθηκαν δύο διεμπλεκόμενα σωματίδια.
• Τοποθετήθηκαν σε μια σχετικά μεγάλη απόσταση μεταξύ τους.
• Μετρήθηκε η περιστροφή τους με διαφορά ένα πολύ μικρό διάστημα.
• Ο λόγος της μεταξύ τους απόστασης προς τη διαφορά χρόνου των μετρήσεων, λόγος που δείχνει τη ταχύτητα μετάδοσης της πληροφορίας, βρέθηκε μεγαλύτερος της ταχύτητας του φωτός.

Αυτό που φαίνεται εδώ δηλαδή, είναι πως έχουμε μια μετάδοση πληροφορίας με ταχύτητα μεγαλύτερη αυτής του φωτός. Αντίο σχετικότητα, καλώς ήρθες παράλογο σύμπαν.

Και αυτό τι σχέση έχει με τη τηλεμεταφορά;

Για την ώρα θα περιγράψω πως θα μπορούσε αυτό το φαινόμενο να χρησιμοποιηθεί για την ακαριαία μετάδοση πληροφορίας, ή τουλάχιστον τη μετάδοσή της με ταχύτητα μεγαλύτερη του φωτός. Κι αν θέλετε περισσότερα για τη μεταφορά ύλης ή και ανθρώπων, μπορείτε να δείτε σε αυτό το βίντεο τον καθηγητή Brian Greene να περιγράφει τις ιδέες του γι΄ αυτό.

Φανταστείτε δύο διεμπλεκόμενα σωματίδια όπου το ένα βρίσκεται στη Γη και το άλλο στο διαστημόπλοιό μας που ταξιδεύει προς το Α΄ του Κενταύρου. Η διάταξή μας καθορίζει τη περιστροφή του σωματιδίου, κι επιπλέον έχει τη δυνατότητα να τη μεταβάλει. Σε κάθε μεταβολή της περιστροφής έχουμε αντίστοιχη μεταβολή και του διεμπλεκόμενου σωματιδίου που βρίσκεται στο διαστημόπλοιο.

Η κάθε πληροφορία που θέλουμε να στείλουμε, το κάθε μας μήνυμα, μπορεί να κωδικοποιηθεί μέσω ενός δυαδικού συστήματος. Μόνο που αντί για 0 και 1 θα έχουμε τη περιστροφή του σωματιδίου, πάνω και κάτω. Μεταβάλλουμε τη περιστροφή του σωματιδίου ανάλογα με το μήνυμα. Στο διαστημόπλοιο μετράνε την αντίστοιχη περιστροφή, που συμβαίνει ακαριαία. Το μήνυμα αποκωδικοποιείται, η πληροφορία έφτασε στο διαστημόπλοιό μας με ταχύτητα κατά πολύ μεγαλύτερη του φωτός.

Όπως φαίνεται, απομένουν μόνο οι τεχνικές λεπτομέρειες και η κατασκευή των μηχανών που θα κρατήσουν τα δύο σωματίδια και θα αποκωδικοποιούν το δυαδικό μήνυμα που δίνει η περιστροφή. Σωστά;

Χμ, όχι και τόσο.

Στο επόμενο άρθρο

Θα επανέλθουμε στο θέμα αυτό. Πρωτύτερα όμως, έχουμε να δούμε την απάντηση που υποσχεθήκαμε στα ερωτήματα που θέσαμε στην αρχή του άρθρου. Αντί για περιγραφή και σχήματα, έχω ετοιμάσει ένα βίντεο που περιγράφει πως οι διαθέσιμες θεωρίες από το οπλοστάσιο των μαθηματικών και της φυσικής δίνουν την οριστική απάντηση στα ερωτήματα αυτά.

Θα το δούμε στο επόμενο άρθρο. Έως τότε, θα χαρώ να δω τα σχόλιά σας.