Mokslo ir technologijų pasaulis

Visatoje yra greičio riba ir tai nėra šviesos greitis
Publikuota: 2019-08-21

Šviesos greičiu skrieja visos masės neturinčios dalelės, tarp kurių – elektromagnetinę sąveiką pernešantys fotonai, stipriąją branduolinę sąveiką pernešantys gliuonai ir gravitacinės bangos. Masę turinčios dalelės privalo skrieti lėčiau už šviesos greitį vakuume, o visatoje yra ir dar griežtesnis apribojimas.

Kalbant apie greičio apribojiimus, griežčiausias yra nustatytas fizikos dėsnių – šviesos greitis. Kaip suprato Albertas Einsteinas, visi, stebintys šviesos spindulį, jo greitį mato tokį patį, nesvarbu, ar jis juda link jūsų, ar tolyn. Nesvarbu, kokiu greičiu ir kokia kryptimi judate, visa šviesa visada juda tuo pačiu greičiu ir tai pasakytina apie visus stebėtojus. Negana to, bet koks materialus objektas gali tik artėti prie šviesos greičio, tačiau jo niekada nepasiekia. Tuo tarpu, jei masės neturite, kitokiu greičiu, nei šviesos greitis, keliauti negalite; jei masę turite, šio greičio niekados nepasieksite.

Tokia yra teorija, bet praktiškai, Visatoje yra dar griežtesnė materijos greičio riba, ir ji mažesnė už šviesos greitį. Čia bus mokslinis pasakojimas apie tikrąją kosminio greičio ribą.

Kai mokslininkai kalba apie šviesos greitį — 299 792 458 m/s — omenyje turi „šviesos greitį vakuume“. Tokiu greičiu galima skrieti tik nesant dalelių, laukų ar terpės. Tačiau netgi vakuume tokį greitį pasiekti gali tik masės neturinčios dalelės. Tai – fotonai, gliuonai ir gravitacinės bangos, ir joks kitas žinomas objektas.

Kvarkai, leptonai, neutrinai ir netgi hipotetinės tamsiosios materijos dalelės turi būdingą masę. Iš šių dalykų sudaryti objektai – protonai, atomai ir žmogiškos būtybės masę turi. Dėl to jie gali artėti prie šviesos greičio, bet niekados jo nepasiekia. Kad ir kiek energijos jiems suteiktume, šviesos greitis, netgi judant vakuume, niekados nebus pasiekiamas.

Bet tokio dalyko kaip idealus vakuumas nėra. Net nuošaliausiuose tarpgalaktinių tuštumų užkampiuose yra trys dalykai, kurių atsikratyti niekaip neįmanoma.

  1. WHIM: šilta-karšta tarpgalaktinė terpė (angl. warm-hot intergalactic medium). Ši reta, išsklidusi plazma yra kosminio voratinklio liekanos. Kol materija jungiasi į žvaigždes, galaktikas ir dar didesnes formacijas, dalis jos pasilieka Visatos tuštumose. Žvaigždžių šviesa ją jonizuoja, sukurdama plazmą, sudarančią maždaug 50 % visos normalios Visatos materijos.

  2. KMF: kosminis mikrobangų fonas. Šie Didžiojo Sprogimo sukurti fotonai buvo labai energingi. Netgi dabar, kai kosmoso temperatūra tėra 2,7 K, viename kubiniame centimetre kosmoso erdvės yra daugiau nei 400 KMF fotonų.

  3. KNF: kosminis neutrinų fonas. DS sukūrė ne tik fotonus, bet ir daugybę neutrinų. Jų yra bent milijardą kartų daugiau nei protonų, ir nors dabar daug šių lėtų dalelių sukrito į galaktikas ir galaktikų spiečius, nemažai jų likę ir tarpgalaktinėje erdvėje.

Bet kokias per Visatą skriejančias daleles veiks WHIM, KNF neutrinai ir KMF fotonai. Nors KMF fotonų energija mažiausia, jų yra daugiausiai ir jie pasiskirstę tolygiausiai. Nesvarbu, kokios energijos ar kiek turėsite, sąveikos su 13,8 milijardų senumo spinduliavimu išvengti nepavyks.

Kai galvojame apie energingiausias daleles Visatoje, t.y. judančias greičiausiai — pagrįstai tikimės, kad jos sukuriamos ekstremaliausiomis Visatoje pasitaikančiomis sąlygomis. Taigi, tikimės rasti jas greta aukščiausių energijų ir galingiausių laukų, greta neutroninių žvaigždžių ir juodųjų skylių.

Šalia neutroninių žvaigždžių ir juodųjų skylių ne tik stipriausias gravitacinis laukas, bet – teoriškai – ir galingiausias elektromagnetinis laukas. Tokius neįtikėtinai galingus laukus sukuria įelektrintos dalelės neutroninės žvaigždės paviršiuje arba juodosios skylės akreciniame diske, kurio sukimosi greitis sudaro nemenką dalį šviesos greičio. Judėdamos, krūvį turinčios dalelės sukuria magnetinius laukus, o judėdamos šiuose laikuose, greitėja.

Dėl tokio greitėjimo spinduliuojama ne tik plataus spektro šviesa – nuo rentgeno spindulių iki radijo bangų, bet ir greičiausios, energingiausios dalelės: kosminiai spinduliai.

Nors CERN LHC dalelėms čia, Žemėje, suteikia 299 792 455 m/s greitį, arba 99,999999% šviesos greičio, kosminiams spinduliams toks barjeras – vieni juokai. Greičiausių kosminių spindulių energija LHC greitintuvo dalelių energiją viršijo 36 milijonus kartų. Jei tartume, kad šie kosminiai spinduliai irgi yra protonai, jų greitis – 299 792 457.99999999999992 m/s, prie šviesos greičio vakuume prisiartina visai šalia, tačiau jo nepasiekia.

Ir yra labai gera priežastis, kodėl mus pasiekusių kosminių spindulių energija nėra dar didesnė.

Problema ta, kad kosmosas nėra vakuumas. O būtent, KMF fotonai susiduria su skriejančiomis dalelėmis. Kad ir kokios aukštos energijos dalelės, skriedamos link mūsų, jos skrodžia spinduliavimo, kilusio Didžiojo Sprogimo metu, liekanas.

Nors ši radiacija atitinka neįtikėtinai žemą, vidutiniškai 2,725 kelvinų, temperatūrą, vidutinės kiekvieno fotono energijos nepaisyti nevalia; ji yra maždaug 0,00023 elektronvoltų (eV). Nors tai atrodo mažai, į juos atsitrenkiantys kosminiai spinduliai gali būti neįtikėtinai energingi. Kiekvieną kartą tokiai energingai ir elektringai dalelei sureagavus su fotonu, yra tikimybė, kad bus sukurta nauja dalelė!

Dalelės, kurių energija didesnė nei 5×10¹⁹ eV, daugių daugiausiai tegali nukeliauti vos kelis milijonus šviesmečių, kol vienas iš DS fotonų likučių su ja susidurs. Kai tai nutinka, energijos pakanka sukurti neutraliam pionui, kuris nugvelbia kosminio spindulio energiją.

Kuo energingesnė dalelė, tuo didesnė tikimybė jai sukurti pionus, ir ji tai darys, kol energija nusileis žemiau teorinės kosminių spindulių energijos ribos, Greisen – Zatsepin – Kuzmin (GZK) ribos . Dar daugiau yra stabdymo radiacijos, atsirandančios dėl bet kokių dalelių sąveikavimo su tarpžvaigždine/tarpgalaktine terpe. Jis veikia netgi menkesnės energijos daleles ir spinduliuoja energiją, kai kuriamos elektronų/pozitronų poros (ir kitos dalelės).

Manoma, kad kiekviena krūvį turinti dalelė kosmose — visi kosminiai spinduliai, visi protonai ir atomų branduoliai — turėtų šio greičio neviršyti. Ne tik šviesos greičio, bet ir kiek mažesnio, dėl Didžiojo Sprogimo likutinio spinduliavimo ir dalelių tarpgalaktinėje erdvėje. Jei ką aptinkame didesnės energijos, tai reiškia vieną iš šių dalykų:

  1. aukštų energijų dalelės vadovaujasi kitokiomis taisyklėmis, nei manome,

  2. jos sukuriamos daug arčiau nei manome: Vietinėje Grupėje arba Paukščių Take, o ne tolimose užgalatinėse juodosiose skylėse,

  3. jos visai ne protonai, o sudėtiniai branduoliai.

Tos kelios užfiksuotos dalelės, kurios GZK barjerą viršijo, iš tiesų viršijo 5 × 10¹⁹ eV energijos ribą, tačiau ne 3 × 10²¹ eV, kas atitiktų geležies branduolio energiją.

Kadangi patvirtinta, kad daugelis aukščiausios energijos kosminių spindulių yra sunkieji branduoliai, o ne atskiri protonai, toks ypatingai energingų kosminių spindulių aiškinimas yra labiausiai tikėtinas.

Per kosmosą skriejančioms dalelėms yra greičio riba, ir tai nėra šviesos greitis, o vos vos mažesnė, diktuojama nuo Didžiojo Sprogimo likusios energijos švytėjimo. Visatai plečiantis ir vėstant, ši greičio riba pamažu kils, artindamasi prie šviesos greičio reikšmės. Bet atminkite, jei keliaujate per Visatą pernelyg greitai, net Didžiojo Sprogimo spinduliavimo liekanos gali jus pačirškinti. Tad, jei esate iš materijos, šio kosminio greičio apribojimo įveikti nepavyks.