Urok natychmiastowej informacji
Wyobraź sobie wysłanie wiadomości do statku kosmicznego oddalonego o lata świetlne i otrzymanie odpowiedzi natychmiast. Przesyłanie informacji szybciej niż światło (FTL) oznacza dokładnie to – wysyłanie danych z prędkościami przekraczającymi ~300 000 km/s, czyli prędkość światła. To marzenie science fiction o głębokich konsekwencjach. Gdybyśmy mogli złamać ten kosmiczny limit prędkości, zrewolucjonizowałoby to komunikację na międzygwiezdnych dystansach, eliminując wielominutowe opóźnienie w rozmowie z Marsem czy dekady ciszy między gwiazdami. Poza wygodą, wywróciłoby to do góry nogami samą fizykę. Według teorii względności Einsteina nic, co niesie informację, nie może wyprzedzić światła bez wywołania chaosu w przyczynowości theguardian.com. Jak ujął to jeden z naukowych publicystów, gdyby FTL było możliwe, „otworzyłoby to niepokojącą możliwość przesyłania informacji wstecz w czasie, zacierając granicę między przeszłością a teraźniejszością” theguardian.com. Innymi słowy, sygnały szybsze od światła mogłyby pozwolić nam zadzwonić do przeszłości – paradoks, który spędza fizykom sen z powiek. Zanim zaczniemy rozważać szalone pomysły na pokonanie ograniczenia Einsteina, zrozummy, dlaczego ten limit w ogóle istnieje – i dlaczego jego złamanie jest tak trudne.
Kosmiczny limit prędkości Einsteina i dlaczego ma znaczenie
Ponad sto lat temu Albert Einstein wprowadził twardą zasadę: w naszym wszechświecie światło w próżni to ostateczny limit prędkości. Nic nie może być szybsze. Próba przyspieszenia obiektu do prędkości światła spotyka się z oporem natury – masa obiektu efektywnie rośnie i potrzeba nieskończonej energii, by osiągnąć 100% prędkości światła amnh.orgamnh.org. W praktyce czyni to 299 792 km/s (186 000 mil na sekundę) wbudowaną barierą dla każdego materialnego sygnału lub statku kosmicznego. Dlaczego to ważne? Bo jeśli w jakiś sposób oszukalibyśmy ten limit, mogłyby się wydarzyć bardzo dziwne rzeczy. Szczególna teoria względności mówi, że w niektórych układach odniesienia wiadomość FTL wyglądałaby, jakby dotarła zanim została wysłana. Innymi słowy, komunikacja szybsza od światła mogłaby naruszyć przyczynowość – można by wysyłać ostrzeżenia do samego siebie w przeszłości lub tworzyć pętle zdarzeń bez wyraźnej przyczyny i skutku. Z tego powodu „komunikacja szybsza od światła jest uznawana za niemożliwą przez większość fizyków”, ponieważ „oznaczałaby naruszenie szczególnej teorii względności lub… sposób przesyłania wiadomości wstecz w czasie”.
Fizyka nie wahała się testować tego kosmicznego ograniczenia prędkości. W 2011 roku zespół we Włoszech sądził, że zaobserwował cząstki neutrin docierające odrobinę wcześniej, niż zrobiłoby to światło theguardian.com. Wiadomość wywołała sensację – czy limit Einsteina został w końcu złamany? – ale ekscytacja szybko opadła. Okazało się, że luźny kabel światłowodowy zafałszował pomiar czasu. Neutrina były niewinne; Einstein miał rację (a jeden z fizyków, żartobliwie, Jim Al-Khalili, nawet przysiągł, że „zje swoje bokserki na żywo w telewizji”, jeśli Einstein okaże się w błędzie theguardian.com). Ten epizod podkreśla, jak głęboko ograniczenie prędkości światła jest zakorzenione we współczesnej nauce. Każdy wiarygodny eksperyment do tej pory je potwierdzał, a wszelkie twierdzenia o sygnalizacji szybszej niż światło spotykają się z ogromnym sceptycyzmem. Mimo to, pokusa natychmiastowego przesyłania informacji jest tak wielka, że naukowcy nieustannie badają granice fizyki w poszukiwaniu luk. Czy istnieje sposób, choćby subtelny lub dziwaczny, by przesłać informację szybciej niż światło bez burzenia znanych nam praw fizyki? Przyjrzyjmy się wiodącym (i najbardziej zadziwiającym) pomysłom – od kwantowego „upiornego oddziaływania” po tunele czasoprzestrzenne, tachiony i inne – i zobaczmy, co na ich temat mówi współczesna nauka.
Splątanie kwantowe: „Upiorne oddziaływanie” to nie telepatyczny telefon
Jednym z pierwszych miejsc, gdzie ludzie szukają trików FTL, jest splątanie kwantowe, często opisywane jako „upiorne oddziaływanie na odległość”. To zjawisko, które nawet Einstein uważał za niepokojące npl.washington.edu, łączy dwie cząstki w taki sposób, że pomiar jednej natychmiast wpływa na drugą, niezależnie od tego, czy są w tym samym pokoju, czy po przeciwnych stronach galaktyki. Brzmi to jak magia: splątane cząstki wydają się „komunikować” natychmiastowo phys.org. Na przykład, jeśli utworzysz parę elektronów o splątanych spinach i zmierzysz spin jednego jako „w górę”, spin drugiego będzie natychmiast „w dół” – nawet jeśli ten drugi elektron jest oddalony o lata świetlne. Dla zwykłego obserwatora wygląda to tak, jakby informacja przeskoczyła między nimi szybciej niż światło phys.org.
Ale jest haczyk: splątanie nie może przenosić użytecznych wiadomości. Zachowania obu cząstek są skorelowane, ale nie możesz kontrolować, jaki wynik uzyskasz po jednej stronie – wyniki są fundamentalnie losowe. Jak wyjaśnia astrofizyk Paul Sutter, „chociaż splątane cząstki są połączone, niekoniecznie dzielą się informacjami między sobą.” Gdy jedna cząstka zostaje zmierzona, jej odległy bliźniak natychmiast przyjmuje odpowiadający stan, „ale nie [znasz wyniku]… dowiadujesz się dopiero, gdy sam dokonasz pomiaru lub gdy ci powiem” za pomocą zwykłego sygnału z prędkością światła phys.orgphys.org. Krótko mówiąc, „sygnał” splątania jest ukryty w losowości; dopiero późniejsze porównanie notatek za pomocą zwykłej komunikacji pozwala dwóm obserwatorom potwierdzić, że ich wyniki były skorelowane phys.org. Proces splątania może być natychmiastowy, ale „ujawnienie go nie” następuje szybciej niż światło phys.org. Natura sprytnie zamknęła upiorne działanie za nieprzekraczalną barierą przypadku – kosmicznym „szyfrowaniem”, które uniemożliwia wykorzystanie go jako międzygwiezdnego telegrafu.
To nie powstrzymało naukowców przed próbami przechytrzenia systemu. W latach 80. fizyk Nick Herbert zaproponował urządzenie o nazwie FLASH, które miało na celu wykorzystanie splątania kwantowego do komunikacji nadświetlnej scientificamerican.com. Pomysł był genialny: mierząc jeden foton na różne sposoby i wzmacniając jego splątanego partnera za pomocą lasera, być może można by odcisnąć wiadomość, którą odległy obserwator (ochrzczony „Bobem”) mógłby odczytać natychmiast scientificamerican.com. Gdyby Alice, po swojej stronie, wybrała jedno ustawienie pomiaru, by oznaczyć „0”, a inne – „1”, Bob mógłby odczytać te bity szybciej, niż światło mogłoby je przenieść – co pozornie naruszałoby zasadę przyczynowości. Jednak gdy inni fizycy przeanalizowali ten schemat, odkryli fundamentalną wadę. Gdy tylko próbujesz wzmocnić lub zaobserwować splątany stan kwantowy w trakcie przesyłu, nieuchronnie niszczysz delikatną informację kwantową. Zamiast wyraźnego sygnału, Bob zawsze otrzymywałby czysty szum, całkowicie nieświadomy wyborów Alice scientificamerican.com. Nie miałby żadnej możliwości odróżnienia „0” od „1” bez późniejszego otrzymania zwykłej wiadomości od Alice potwierdzającej jej działania. Rozbierając eksperyment myślowy Herberta, naukowcy odkryli w rzeczywistości głęboką zasadę, dziś znaną jako twierdzenie o zakazie klonowania: nie można skopiować dowolnego stanu kwantowego bez jego zmiany scientificamerican.com. To wyklucza trik z „wzmacniaczem” i zapewnia, że splątanie nie może być wykorzystane do naruszenia teorii względności. Fizyka kwantowa i ograniczenie prędkości Einsteina współistnieją w pokoju scientificamerican.com.Obecnie splątanie znajduje się w centrum powstających technologii – komputery kwantowe, kryptografia kwantowa, a nawet rozwijający się „internet kwantowy” do ultrabezpiecznej komunikacji. Co niezwykłe, naukowcy potrafią splątać cząstki na odległość setek kilometrów (Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki w 2022 roku została przyznana pionierom tych eksperymentów). W 2017 roku chiński satelita zademonstrował nawet splątanie i teleportację kwantową pomiędzy przestrzenią kosmiczną a Ziemią, przesyłając splątane fotony na odległość ponad 1200 km. To świadectwo tego, jak bardzo posunęła się nasza wiedza caltech.edu. Jednak pomimo sensacyjnego określenia „teleportacja”, proces ten podlega prawom Matki Natury: nadal wymaga zwykłego sygnału do zakończenia, więc nie pozwala nam przesyłać żadnej materii ani wiadomości szybciej niż światło caltech.edu. Słowami felietonisty naukowego Forbes: „chociaż to godna podziwu próba obejścia zasad naszego Wszechświata, komunikacja szybsza od światła wciąż jest niemożliwa”. Splątanie może być dziwaczne i sprzeczne z intuicją, ale jako metoda komunikacji przypomina parę magicznych kości – ty i twój przyjaciel możecie rzucać splątanymi kośćmi, które zawsze pokazują przeciwne ścianki, ale żadne z was nie może użyć swojej kości, by zasygnalizować konkretny wynik drugiej osobie. Ograniczenie Einsteina trwa.
Warto zauważyć, że niektórzy fizycy wciąż fascynują się tym, dlaczego mechanika kwantowa zawiera to wbudowane ograniczenie prędkości. „Twierdzenie o braku komunikacji” w teorii kwantowej matematycznie dowodzi, że splątanie nie może przekazywać informacji. Ale czy mogą istnieć ukryte mechanizmy pod maską mechaniki kwantowej? Sam Einstein zastanawiał się, czy jakieś „ukryte zmienne” lub sygnały nie łączą splątanych cząstek w tajemnicy. Współczesna teoria kwantowa mówi, że jeśli takie wpływy istnieją, one również muszą być nielokalne (w praktyce szybsze od światła) – jednak pozostają dla nas nieobserwowalne. Jak barwnie zauważył fizyk John G. Cramer: „Natura wysyła wiadomości szybciej niż światło i wstecz w czasie, ale nie pozwala ci wziąć w tym udziału.” geekwire.com W interpretacji mechaniki kwantowej Cramera (tzw. „interpretacja transakcyjna”) zdarzenia kwantowe obejmują rodzaj ponadświetlnego uścisku dłoni między przyszłością a przeszłością – co pokazuje, jak osobliwa potrafi być rzeczywistość kwantowa. Jednak nawet Cramer przyznaje, że natura doskonale blokuje każdą próbę podsłuchania tych widmowych wiadomości geekwire.com. Tak więc, choć splątanie kusi nas wizją fizyki wykraczającej poza Einsteina, nie oferuje żadnej praktycznej drogi na skróty dla naszej komunikacji… przynajmniej jeszcze nie.
Tunele czasoprzestrzenne: Kosmiczne skróty i eksperymenty kwantowe w laboratorium
Jeśli splątanie kwantowe nie przeniesie naszych listów do gwiazd, to może tunel przez samą przestrzeń? Tunele czasoprzestrzenne – technicznie znane jako mosty Einsteina-Rosena – są stałym elementem science fiction jako sposób na natychmiastowy skok z jednego punktu czasoprzestrzeni do drugiego. Teoretycznie tunel czasoprzestrzenny to most łączący dwa odległe miejsca: wchodzisz na jednym końcu, wychodzisz na drugim niemal natychmiast, nawet jeśli światło potrzebowałoby lat, by pokonać ten dystans. Koncepcja ta sięga pracy Einsteina z 1935 roku, ale jest pewien haczyk: oryginalne tunele Einsteina-Rosena nie są przelotowe. Zamykają się zbyt szybko, by cokolwiek (nawet światło) mogło przez nie przejść. Aby utrzymać tunel otwarty wystarczająco długo, by przesłać sygnał lub osobę, fizyka sugeruje, że potrzebna byłaby jakaś egzotyczna materia o ujemnej energii – substancja, która, o ile nam wiadomo, nie istnieje naturalnie w użytecznych ilościach ias.edu. Tunele czasoprzestrzenne z science fiction, takie, które pozwalają na prawdziwą podróż szybszą od światła, „wymagałyby rodzaju materii o ujemnej energii, która nie wydaje się możliwa w spójnych teoriach fizycznych.” ias.edu Mówiąc prościej, przelotowe tunele czasoprzestrzenne mogą być dozwolone przez ogólną teorię względności na papierze, ale aby faktycznie taki stworzyć, naruszyłbyś inne, dobrze potwierdzone prawa fizyki. Nikt nigdy nie zaobserwował prawdziwego tunelu czasoprzestrzennego i większość ekspertów wątpi, by natura umożliwiała utrzymanie go otwartego bez zapadania się.
Więc tunele czasoprzestrzenne pozostają spekulacją – ale naukowcy nie porzucili jeszcze badań nad ich możliwością, przynajmniej teoretycznie. W ostatnich latach pojawiła się fascynująca idea łącząca tunele czasoprzestrzenne ze światem kwantowym. W 2013 roku znani fizycy Juan Maldacena i Leonard Susskind wysunęli hipotezę „ER = EPR”, czyli że tunel Einsteina-Rosena (ER) może być w jakiś sposób równoważny splątaniu kwantowemu (EPR) caltech.edu. To zdumiewająca koncepcja sugerująca, że geometria czasoprzestrzeni i informacja kwantowa mogą być dwiema stronami tej samej monety. Jak powiedziała Maria Spiropulu, fizyczka z Caltech zaangażowana w testowanie tych idei: „To był bardzo śmiały i poetycki pomysł.” caltech.edu Jeśli to prawda, nawet maleńki tunel czasoprzestrzenny mógłby działać jak kwantowy kanał łączący odległe cząstki. Bazując na tej koncepcji, teoretycy tacy jak Daniel Jafferis zaproponowali, że przechodnie tunele czasoprzestrzenne mogłyby istnieć, jeśli zastosuje się energię ujemną (być może generowaną przez efekty kwantowe) w odpowiedni sposób caltech.edu. Co ciekawe, wykazali, że przesyłanie informacji przez taki tunel czasoprzestrzenny jest matematycznie równoważne teleportacji kwantowej z użyciem splątania caltech.edu. Innymi słowy, akt teleportacji kwantowej (który, jak wiemy, jest możliwy w eksperymentach) można postrzegać jako przekazywanie informacji skrótem przez kwantowy tunel czasoprzestrzenny.Ten pomysł przeszedł z teorii do eksperymentu w późnym 2022 roku, kiedy zespół fizyków użył komputera kwantowego Google do zasymulowania malutkiej tunelowej czasoprzestrzeni. Nie rozerwali czasoprzestrzeni w laboratorium (żadne galaktyki nie ucierpiały w tym eksperymencie!), ale rzeczywiście stworzyli system splątanych kubitów, który zachowywał się analogicznie do tunelu czasoprzestrzennego możliwego do przebycia, jak przewidywała teoria caltech.edu. Efektywnie „teleportowali” stan kwantowy z jednego zestawu kubitów do drugiego przez ten kanał utworzony przez splątanie, obserwując właściwości zgodne z przechodzeniem informacji przez tunel czasoprzestrzenny caltech.edu. Nagłówki grzmiały, że naukowcy „zaobserwowali dynamikę tunelu czasoprzestrzennego” na komputerze kwantowym, co, choć technicznie prawdziwe, może być mylące. W rzeczywistości pokazano, że informacja kwantowa może być zakodowana i odzyskana w sposób, który naśladuje malutki tunel czasoprzestrzenny, wzmacniając ideę ER = EPR. To ekscytująca demonstracja, jak fizyka kwantowa i koncepcje grawitacyjne mogą się połączyć, ale nie jest to metoda praktycznej komunikacji – przynajmniej na razie. Cząstka wiadomości w eksperymencie nadal podlegała regułom kwantowym i wymagała splątania, które musiało być wcześniej ustanowione (za pomocą normalnej komunikacji, by je ustawić). I co najważniejsze, wszystko to zostało wykonane na 9 kubitach w chipie, a nie w tunelu o skali galaktycznej, przez który można by przeświecić latarką.
Mimo to te wysiłki mają znaczenie, ponieważ sugerują, że zakaz FTL w naszym wszechświecie nie musi być tak absolutny, jak się wydaje – być może sama przestrzeń i czas mają skróty lub zjawiska emergentne, które dopiero zaczynamy rozumieć. Kip Thorne, fizyk znany ze swojej pracy nad tunelami czasoprzestrzennymi (i konsultacji przy filmie Interstellar), lubi przypominać, że relatywistyka zabrania podróży z prędkością nadświetlną przez normalną przestrzeń, ale nie zabrania ściśle manipulowania czasoprzestrzenią, by oszukać dystans. Nie wiadomo jeszcze, czy natura rzeczywiście pozwala na tunel czasoprzestrzenny możliwy do przebycia lub prawdziwy kanał komunikacyjny „podprzestrzenny”. Stephen Hawking był na tyle sceptyczny, że zaproponował „hipotezę ochrony chronologii” – w zasadzie prawo fizyki, które uniemożliwiałoby powstanie maszyn czasu (a co za tym idzie, rzeczy takich jak nadświetlne tunele czasoprzestrzenne), by uchronić wszechświat przed paradoksami czasowymi. Jak dotąd każdy wiarygodny schemat sztucznego tunelu czasoprzestrzennego lub skrótu wymaga egzotycznej fizyki, której nie zaobserwowaliśmy. Jednak trwające badania – od prac teoretycznych po symulacje w laboratoriach kwantowych – dają nam nowe narzędzia do badania „co by było, gdyby?” W nadchodzących latach kolejne eksperymenty będą splątywać coraz większe systemy i być może znajdą pośrednie oznaki tych zjawisk. Jeśli pewnego dnia prawdziwy tunel czasoprzestrzenny zostałby odkryty lub wytworzony, mógłby umożliwić natychmiastową komunikację przez przestrzeń bez łamania relatywistyki (ponieważ sygnał przez tunel czasoprzestrzenny lokalnie nie przekraczałby prędkości światła – to przestrzeń jest skrótem). To byłby ostateczny triumf: kosmiczny skrót, który pozwoliłby nam rozmawiać przez galaktykę w czasie rzeczywistym, bez łamania praw fizyki. To mało prawdopodobne, ale jest na radarze nauki.
Tachiony: poszukiwanie cząstek szybszych od światła
Innym domniemanym biletem do nadświetlnej komunikacji są hipotetyczne cząstki zwane tachionami. Termin „tachion” pochodzi od greckiego tachys, co oznacza „szybki”, i został ukuty w latach 60. XX wieku dla cząstek, które zawsze poruszałyby się szybciej niż światło. W przeciwieństwie do zwykłej materii, która może jedynie zbliżać się do prędkości światła od dołu, tachiony (jeśli istnieją) nigdy nie zwolniłyby poniżej prędkości światła. Na zawsze znajdowałyby się po drugiej stronie bariery Einsteina – teoretycznie zdolne do przenoszenia sygnałów szybszych niż jakikolwiek foton. Tachiony pojawiały się w niektórych rozszerzeniach fizyki, a nawet w science fiction jako luźne wyjaśnienia sygnałów FTL. Przez dziesięciolecia jednak były one w dużej mierze uważane za problematyczne lub wyimaginowane. Jednym z powodów jest to, że stabilny tachion mógłby zostać użyty do wysłania wiadomości w przeszłość (naruszając kauzalność), tak jak każdy mechanizm FTL. Inną kwestią jest to, że wczesne analizy sugerowały, iż tachiony destabilizowałyby próżnię: wydawało się, że prowadzą do ujemnych energii, urojonych mas lub innych bezsensownych rezultatów po uwzględnieniu ich w teorii kwantowej. Krótko mówiąc, po prostu nie współgrały z ramami, którym ufamy. Przez długi czas tachiony były traktowane jak buntownicy, których fizyka po cichu wykluczyła – ciekawe eksperymenty myślowe, ale nie coś, co faktycznie można by znaleźć w naturze.
Zaskakująco, niedawne badania ponownie przyjrzały się tachionom z nowej perspektywy. W lipcu 2024 roku fizycy z Uniwersytetu Warszawskiego i Oksfordu opublikowali artykuł, w którym argumentują, że wiele dawnych teoretycznych zastrzeżeń wobec tachionów można rozwiązać scitechdaily.com. Odkryli, że problem tkwił w „warunkach brzegowych” używanych w tych dowodach. Pozwalając, by zarówno stany przeszłe, jak i przyszłe układu wpływały na pewne obliczenia kwantowe, wykazali, że pola tachionowe mogą być matematycznie spójne bez powodowania nieskończoności czy nonsensów scitechdaily.com. Jak ujął to jeden z autorów, dr Andrzej Dragan, uwzględnienie roli przyszłych rezultatów było „jednym prostym trikiem”, który nagle sprawił, że teoria zaczęła działać scitechdaily.com. W ich nowym ujęciu proces z udziałem tachionów zależy nie tylko od początkowego ustawienia, ale także od warunku końcowego, niemal jakby przyszłość pomagała kształtować teraźniejszość – to idea wykraczająca poza intuicję, ale nie całkiem obca teorii kwantowej. Dzięki tej poprawce wszystkie główne trudności (niestabilność, liczba cząstek zależna od obserwatora, ujemne energie) zniknęły, a tachiony stały się po prostu kolejnym możliwym polem w równaniach scitechdaily.com. Co jeszcze ciekawsze, ich teoria przewiduje nowy rodzaj splątania kwantowego, który miesza stany przeszłe i przyszłe, czego konwencjonalna fizyka nie dopuszcza scitechdaily.com. Naukowcy nie twierdzą, że tachiony rzeczywiście istnieją, ale argumentują, że tachiony są „nie tylko nie wykluczone” przez względność, ale mogą nawet wyjaśnić jej strukturę przyczynową scitechdaily.com. W rzeczywistości spekulują, że tachiony mogły odegrać rolę we wczesnym wszechświecie: zanim pole Higgsa „złamało” symetrię i nadało cząstkom masę, pobudzenia podobne do tachionów mogły poruszać się z prędkościami nadświetlnymi, pomagając powstać materii, jaką znamy scitechdaily.com.
Czy więc tachiony są prawdziwe? Nie wiemy. Żaden eksperyment nigdy nie wykrył tachionu wylatującego z akceleratora cząstek ani spadającego z promieni kosmicznych. Jeśli istnieją, mogą oddziaływać z normalną materią bardzo słabo (w przeciwnym razie prawdopodobnie już zauważylibyśmy jakieś ślady). Od czasu do czasu pojawiały się doniesienia o wykryciu czegoś anormalnego – w latach 80. niektóre eksperymenty z promieniowaniem wysokoenergetycznym wywołały debatę o możliwych sygnałach tachionowych, ale żadna z tych rewelacji nie została ostatecznie potwierdzona. Na razie tachiony pozostają bytami teoretycznymi. Fascynują, ponieważ pokazują, jak fizyka mogłaby dopuścić wpływy szybsze od światła bez całkowitego załamania zasad: tachion nie przyspiesza ponad prędkość światła (zaczyna szybciej i taki pozostaje), więc niektóre typowe argumenty teorii względności nie mają tu bezpośredniego zastosowania. Gdyby kiedyś naukowcy znaleźli sposób na wytwarzanie lub wykorzystanie tachionów, czy moglibyśmy przesyłać za ich pomocą informacje? Potencjalnie tak – strumień tachionów mógłby nieść modulację (jak alfabet Morse’a), która dotarłaby szybciej niż światło. Jednak manipulowanie tachionami mogłoby prowadzić do paradoksów – jednym z wyobrażonych przez fizyków urządzeń opartych na tachionach jest tachionowy antytelefon, urządzenie, które w teorii pozwala wysłać wiadomość do własnej przeszłości. To eksperyment myślowy pokazujący absurd, jaki może wprowadzić prawdziwa komunikacja szybsza od światła. Większość fizyków podejrzewa, że jeśli tachiony w ogóle istnieją, natura mogła je ukryć lub uniemożliwić ich wykorzystanie do sztuczek naruszających przyczynowość. Mimo to fakt, że poważni badacze ponownie przyglądają się tachionom w 2024 roku scitechdaily.com, oznacza, że nasze rozumienie ewoluuje. Zachęcają oni społeczność naukową, by „pozostała otwarta” na możliwość, że tachiony mogą być zakulisowymi graczami w splątaniu kwantowym nature.com. Przynajmniej tachiony pobudzają wyobraźnię – przypominając nam, że we wszechświecie może istnieć więcej cząstek i zjawisk, niż przewiduje nasza obecna „księga zasad”.Granice na obrzeżach nauki: napędy warp, „hiperfale” i inne spekulacje
Pragnienie komunikacji szybszej niż światło jest tak silne, że zainspirowało pomysły ocierające się o science fiction. Jeden z takich konceptów czerpie z teorii napędu warp – tego samego rodzaju idei, która pozwala Enterprise z Star Trek przemieszczać się poprzez zakrzywianie czasoprzestrzeni. W 1994 roku fizyk Miguel Alcubierre wykazał, że ogólna teoria względności dopuszcza rozwiązanie w postaci „bańki warp”: przestrzeń przed statkiem jest kurczona, a za nim rozszerzana, co w efekcie pozwala statkowi „jechać” na bańce szybciej niż światło względem odległych obserwatorów, bez lokalnego łamania prędkości światła thedebrief.org. Haczyk (jak zwykle) polega na tym, że wymaga to ujemnej energii i ogromnej ilości masy-energii, co czyni to pozornie nieosiągalnym. Ale oto zwrot akcji: a co, jeśli nie próbujesz wysłać całego statku kosmicznego? Co jeśli wysyłasz tylko informację? W 2023 roku rządowe badanie w Wielkiej Brytanii zbadało właśnie ten pomysł pod nazwą komunikacja „Hyperwave” thedebrief.org. Dr Lorenzo Pieri, autor badania, zaproponował użycie maleńkich, krótkotrwałych baniek warp – zasadniczo mikroskopijnych zniekształceń czasoprzestrzeni – do przesyłania bitów danych na ogromne odległości. Mniejsze bańki drastycznie zmniejszyłyby wymaganą energię (ponieważ zapotrzebowanie na energię rośnie wraz z kwadratem rozmiaru bańki) thedebrief.org. Pomysł Pieriego polega na generowaniu i manipulowaniu tymi bańkami w sekwencji, tak aby podczas ich przyspieszania i zapadania się emitowały one impulsy wysokoenergetycznego promieniowania. Te impulsy, podróżujące przez przestrzeń, mogłyby być zakodowane informacją niczym kropki i kreski alfabetu Morse’a. Co istotne, zakłócenia wywołane przez bańkę mogłyby, teoretycznie, rozchodzić się jako „hyperwave”, która wyprzedza zwykły sygnał świetlny thedebrief.org. W istocie, wysyłałbyś falę przez samą czasoprzestrzeń, która niesie twoją wiadomość – falę, która porusza się szybciej niż światło z zewnętrznej perspektywy.To brzmi niewiarygodnie i jest niezwykle spekulatywne. Brytyjskie Ministerstwo Obrony uznało ten koncept za na tyle interesujący, że zapewniło skromne finansowanie na wstępne badania thedebrief.org, co podkreśla, jak poważnie traktuje się nawet najbardziej szalone pomysły, gdy potencjalne korzyści są ogromne. Jednak wiele wyzwań pozostaje. Nawet mała bańka warpowa wymaga pewnej ilości energii ujemnej lub egzotycznej materii, a generowanie jakiejkolwiek energii ujemnej w kontrolowany sposób wykracza poza obecny stan nauki (obserwujemy drobne efekty w eksperymentach laboratoryjnych, takich jak efekt Casimira, ale to nic w porównaniu z tym, co byłoby potrzebne do inżynierii). Argument Pieriego jest taki, że ponieważ nie chodzi o transport ludzi ani dużych obiektów, można poluzować wiele ograniczeń i być może znaleźć sprytny sposób na wytworzenie hiper-szybkich impulsów. Na przykład skupienie się wyłącznie na zastosowaniu komunikacyjnym mogłoby pozwolić na konfiguracje pól elektromagnetycznych lub kwantowych, które przejściowo tworzą efekt bańki. Koncepcja „hiperfali” faktycznie pochodzi od systemu komunikacyjnego z powieści Isaaca Asimova z cyklu Fundacja – to ukłon w stronę tego, jak science fiction często inspiruje prawdziwe innowacje. Jak dotąd żaden eksperyment nie wygenerował prawdziwej bańki warp (choć co ciekawe, w 2021 roku zespół powiązany z NASA twierdził, że zaobserwował coś podobnego do bańki warp w mikroskali w laboratorium, ale jest to przedmiotem dyskusji). Debrief – portal naukowo-obronny – cytował ekspertów, którzy twierdzili, że choć napędy warp na dużą skalę pozostają niewykonalne, „wysłanie wiadomości jest nieco łatwiejsze” w teorii thedebrief.org. Celując w małą skalę, unika się astronomicznych wymagań energetycznych związanych z przemieszczaniem statku kosmicznego.Czy komunikacja hiperfalowa może kiedykolwiek zadziałać, sprowadza się do pytania, czy potrafimy w kontrolowany sposób manipulować geometrią czasoprzestrzeni. Niektórzy optymistyczni myśliciele zauważają, że ponad sto lat temu radio czy energia jądrowa również brzmiałyby absurdalnie teoretycznie, a jednak oto jesteśmy. Inni podkreślają, że dopóki faktycznie nie zaobserwujemy czegoś poruszającego się szybciej niż światło, powinniśmy zakładać, że ograniczenie Einsteina obowiązuje. Istnieje zdrowa równowaga między otwartością umysłu a sceptycyzmem. Jason Cassibry, fizyk zajmujący się napędem, przypomina nam, że nawet napęd warp technicznie nie narusza względności: „Statek kosmiczny z napędem warp tak naprawdę nie przekracza lokalnie prędkości światła. On po prostu rozciąga przestrzeń i skraca dystans.” thedebrief.org Innymi słowy, te pomysły próbują oszukać, zmieniając pole gry (przestrzeń), zamiast biec szybciej po tym samym polu. Może to być dozwolone, ale nie wiemy, czy natura da nam potrzebne narzędzia. Podobnie, niekonwencjonalni wynalazcy i teoretycy proponowali inne triki komunikacji FTL: wykorzystanie kwantowego tunelowania (elektrony mogą tunelować przez bariery szybciej, niż światło mogłoby pokonać ten sam dystans – ale znów, zgodnie z naszą obecną wiedzą, nie da się przesłać użytecznego sygnału w eksperymentach tunelowania), lub hipotetyczne radio „subprzestrzenne”, które w jakiś sposób rozchodzi się przez wyższe wymiary lub równoległe wszechświaty, by skrócić normalną przestrzeń. Do tej pory żaden z tych pomysłów nie zaowocował prawdziwym urządzeniem ani metodą, która pokonałaby zwykłą wiązkę światła w wyścigu. Gdyby tak się stało, byłoby to na pierwszych stronach gazet na całym świecie.
Wniosek: Przesuwanie granic bez łamania fizyki
Gdzie to wszystko pozostawia nas w 2025 roku? Pomimo ogromnego postępu naukowego i naprawdę pomysłowych badań, nie znaleziono żadnych eksperymentalnych dowodów na przekazywanie informacji szybciej niż światło. Każda wiadomość, jaką ludzkość kiedykolwiek wysłała – od starożytnych sygnałów dymnych po e-maile wysyłane do odległych sond kosmicznych – przestrzegała ograniczenia prędkości ustalonego przez Einsteina. Konsensus wśród fizyków pozostaje taki, że komunikacja szybsza od światła jest niemożliwa bez nowej fizyki. Teoria względności okazała się wyjątkowo odporna. Jak widzieliśmy, splątanie kwantowe zbliża się do tej granicy, tworząc dziwne, natychmiastowe korelacje, ale nie daje żadnego użytecznego naruszenia tej zasady phys.org, scientificamerican.com. Tunele czasoprzestrzenne i hiperfale warp kuszą nas sposobami na skrócenie drogi przez czasoprzestrzeń, ale jak dotąd istnieją tylko w równaniach i eksperymentach myślowych, a nie w laboratoriach czy halach inżynieryjnych. Tachiony pokazują, że nasze ramy teoretyczne wciąż się rozwijają – można sobie wyobrazić cząstki szybsze od światła bez logicznych sprzeczności scitechdaily.com, scitechdaily.com, jednak nie mamy żadnych przesłanek, że takie cząstki są rzeczywiste lub dostępne. Krótko mówiąc, każda droga do przekazywania informacji szybciej niż światło albo prowadzi z powrotem do pudełka Znana Fizyka (z pomysłowym wyjaśnieniem, dlaczego nie dochodzi do naruszenia przyczynowości), albo pozostaje drogą nieodbytą, czekającą na odkrycia w odległej przyszłości.
Niemniej jednak sama ta pogoń jest niezwykle cenna. Próbując złamać ostateczne ograniczenie prędkości, naukowcy pogłębili nasze zrozumienie mechaniki kwantowej, odkryli zasady takie jak zakaz klonowania i nawet otworzyli nowe dziedziny badań. Wysiłki na rzecz testowania koncepcji FTL doprowadziły do precyzyjnych eksperymentów, które na przykład potwierdzają, że nielokalność kwantowa jest rzeczywista, ale respektuje ograniczenia braku sygnalizacji. To napędziło postęp technologiczny – np. rozwój źródeł splątanych cząstek i ultraszybkich detektorów – który obecnie napędza rewolucję w informatyce i kryptografii. Szukając luk, często znajdujemy lekcje. A jeśli luka istnieje, nie ma wątpliwości, że ciekawskie umysły w końcu ją odnajdą.
Być może pewnego dnia przełom w dziedzinie grawitacji kwantowej lub nieoczekiwany wynik eksperymentu wskaże drogę do prawdziwej metody natychmiastowego przesyłania informacji. Takie odkrycie wywróciłoby do góry nogami wiele z tego, co uważamy za oczywiste, wymagając nowych praw, które rozszerzą lub zastąpią te Einsteina. Umożliwiłoby to niemal magiczne możliwości: komunikację w czasie rzeczywistym z międzygwiezdnymi odkrywcami lub obcymi oraz koordynację na galaktycznych odległościach. Ale do tego czasu musimy zadowolić się komunikacją z prędkością światła (lub wolniejszą) – ograniczoną, ale niezawodną i bezpiecznie przyczynową. Dążenie do komunikacji szybszej niż światło znajduje się na granicy nauki i science fiction, inspirując zarówno śmiałe pomysły, jak i przestrogi. Jak z przekąsem przypomina fizyk Paul Sutter, „nikt nie może dowiedzieć się niczego z wyprzedzeniem” dzięki splątaniu – natura dobrze strzeże swoich sekretów phys.org. I jak się wydaje, kosmiczne ograniczenie prędkości natury to sekret, którego nie zamierza ujawniać. Na razie kosmiczny limit prędkości światła pozostaje nieprzekroczony, a nasze wiadomości podróżują przez przestrzeń na promieniach światła, cierpliwie czekając na odpowiedź.
Źródła: Współczesna literatura naukowa i komentarze ekspertów dotyczące teorii względności, fizyki kwantowej i badań nad prędkościami ponadświetlnymi, w tym recenzowane badania naukowe oraz renomowane serwisy informacyjne o nauce theguardian.com, phys.org, scientificamerican.com, scitechdaily.com, thedebrief.org, i inne.
