Huikea valon nopeuden ylitys oli vuoden kohu-uutisia. Silti fyysikot pitävät kiinni suhteellisuusteoriasta, joka kieltää moisen hurjastelun. Miksi?

TEKSTI:Leena Tähtinen


Sisältö jatkuu mainoksen alla

Huikea valon nopeuden ylitys oli vuoden kohu-uutisia. Silti fyysikot pitävät kiinni suhteellisuusteoriasta, joka kieltää moisen hurjastelun. Miksi?

Sisältö jatkuu mainoksen alla

Julkaistu Tiede-lehdessä

8/2000

Albert Einsteinin 1900-luvun alussa muotoilema suhteellisuusteoria asettaa kosmiseksi kattonopeudeksi valon nopeuden tyhjiössä eli 299 792,5 km/s. Tämä tarkoittaa, ettei massa koskaan saavuta valon nopeutta eikä myöskään mikään viesti kulje tätä nopeampaa.

Massan nopeuden yläraja selittyy sillä, että suhteellisuusteorian mukaan massan kiihdyttäminen valon nopeuteen vaatii äärettömän paljon energiaa. Koska energiaa ei ole käytettävissä äärettömästi, temppu ei onnistu. Toisin sanoen yli valon nopeudella matkustaminen on kiellettyä.

Viestin nopeuden yläraja puolestaan seuraa siitä, että fysikaalisen maailmankuvamme "logiikka" edellyttää syyn olevan aina ennen seurausta. Tämä loogisuusvaatimus ja suhteellisuusteoria kieltävät tietoa välittymästä valoa nopeammin. Ellei näin olisi, postiljooni saattaisi tuoda lehden ennen kuin sitä on painettukaan ja sähköposti ilmestyä kuvaruudullesi ennen sen lähettämistä.

Massattomat valohiukkaset eli fotonit sen sijaan kulkevat aina juuri valon nopeudella. Laitonta ei myöskään olisi syntyä nopeana, joten alusta asti valoa nopeammin liikkuva hiukkanen sopisi suhteellisuusteoriaan. Tällaisen hypoteettisen hiukkasen, takionin, olemassaoloa pidetään kuitenkin lähes yhtä epätodennäköisenä kuin yksisarvisen.

Näennäisylitykset arkipäivää 

Suhteellisuusteoriasta huolimatta on helppo löytää ilmiöitä, joissa valon nopeus näyttää ylittyvän.

Yksi esimerkki on majakka, jonka valokeila osuu kaukana häämöttävään rantaan. Majakan valo kiertää ympäri melko hitaasti, mutta kaukaiseen rantaan osuva keila ehtii valaista pitkän pätkän lyhyessä ajassa. Jos ranta on tarpeeksi kaukana, keila näyttää pyyhkivän sitä valoa nopeammin.

Mutta keilapa ei itse asiassa liiku rantaa pitkin, vaan majakka valaisee rannan jokaisen kohdan erikseen säteellä, joka ylittää meren valon nopeudella. Kyse on siis näennäisestä valon nopeuden ylittämisestä. Sama pätee Kuuhun heijastettuun laserpilkkuun. Siellä se viilettää yli valon nopeutta, jos laserlähdettä liikutetaan tarpeeksi rivakasti.

Kosminen kattonopeus ei näytä koskevan myöskään varjoja. Sormesi varjo liikkuu sitä nopeammin, mitä kauemmas se lankeaa.

  laittoman nopealta.

Valoa voidaan hidastaa

Suhteellisuusteorian kannalta laittoman kuuloisia uutisia saadaan myös hidastamalla valon nopeutta. Valon nopeus nimittäin riippuu väliaineesta. Mitä tiheämpää aine on eli mitä suurempi sen taitekerroin on, sitä hitaammin valo etenee.

Noin vuosi sitten tanskalainen, Bostonissa työskentelevä Lene Hau valmisti ryhmänsä kanssa ultrakylmissä oloissa erikoisen tiheää atomikaasua, niin kutsuttua Bosen-Einsteinin kondensaattia, jossa valo hidastui niin paljon, että kilpapyöräilijä olisi voittanut sen kisassa. "Pyörällä valoa nopeammin", otsikoivat lehdet. Suhteellisuusteoria ei kiellä tällaista, sillä se sanelee ainoastaan, ettei valon tyhjiönopeutta voi ylittää.

Turun yliopiston fysiikan professori Kalle-Antti Suominen kertoo Haun sittemmin hidastaneen valon jo kävelynopeuteen!

Teleportaatio vaatii tarkistuksen

Valoa nopeampi viestintä näyttäisi käyvän kvanttiteleportaatiolla, joka perustuu niin sanottuun EPR-korrelaatioon. Teleportaatiossa nimittäin tieto hiukkasen tilasta siirtyy toiseen hiukkaseen ilman viivettä välimatkan pituudesta huolimatta.

EPR on lyhenne Albert Einsteinin, Boris Podolskyn ja Nathan Rosenin sukunimien alkukirjaimista. EPR-korrelaatio tarkoittaa intiimiä suhdetta, jossa yhdessä syntyneet hiukkaset ovat keskenään vastakkaisissa kvanttitiloissa. Jos toisen tilaa muuttaa, toinenkin vaihtaa tilansa, vaikka olisi satojen kilometrien päässä. Itävaltalainen Anton Zeilinger osoitti 1998 EPR-korrelaation toimivan (ks. Tiede 2000 2/98, s. 18-21). Eikö tällä tavalla siis pystytä siirtämään informaatiota paikasta toiseen valoa nopeammin?

Ei, vakuuttavat tutkijat. He vetoavat erääseen kvanttimaailman perusomituisuuteen eli siihen, että hiukkanen pysyy epämääräisessä tilassa, kunnes joku mittaa sen. Mittaus kuitenkin hävittää tilan. Lähetä siinä sitten viestejä paikasta toiseen. Toistaiseksi "viesti" varmistetaan perinnäisin, valoa hitaammin konstein.

 Pulssi ilmestyi ennen lähtöään?

Heinäkuisessa Nature-tiedelehdessä L. J. Wang kumppaneineen julkaisi kokeen, jossa valopulssi ilmestyi erityisvalmisteisen cesium-kaasukerroksen toiselle puolelle ennen kuin pulssin huippu oli edes tunkeutunut kaasuun. Wangin ryhmä mittasi pulssin kulkeneen 310 kertaa valoa nopeammin!

Fyysikko Aephraim Steinberg selittää väliaineen vaikutusta Physics World -lehdessä seuraavasti: jos optinen pulssi koostuu useista aalloista, joilla on erilaiset aallonpituudet, pulssin nopeus määritellään ryhmänopeutena, joka vastaa pulssin huipun nopeutta. Juuri tästä nopeudesta ollaan kiinnostuneita, kun tutkitaan suhteellisuusteorian rajoituksien pitävyyttä.

Pulssin aalloilla on myös vaihenopeus, joka kuvaa, miten aaltojen huippujen suhde aaltojen laaksoihin etenee. Tämä nopeus voi ylittää valon nopeuden, sillä sen avulla ei välity informaatiota. - Tuttu tilanne mikroaaltotekniikasta, kertoo Tukholman teknillisen korkeakoulun professori Stig Stenholm.

Huippu sattuu kohtaan, jossa kaikki aallot ovat samassa vaiheessa. Kun väliaine vaikuttaa eri tavoin eripituisiin valoaaltoihin, huipun nopeus muuttuu. Yleensä väliaineen taitekerroin pienenee aallonpituuden kasvaessa, jolloin pulssin huipun nopeus laskee pienemmäksi kuin valon nopeus tyhjiössä.

Jos onnistutaan valmistamaan aine, jonka taitekerroin kasvaa jyrkästi aallonpituuden mukana, sen halki taivaltavan pulssin ryhmänopeus kiihtyy ja ylittää valon tyhjiönopeuden. Cesiumkerros oli tällainen aine, ja sen ansiosta pulssin nopeus näytti ylittävän valon nopeuden.

Pulssi vaihtuu matkalla

Väliaineen kiihdyttävä vaikutus oli pitkään pelkkää teoriaa. Se ei vaivannut tutkijoita, sillä pulssin muodon pääteltiin muuttuvan matkalla niin pahasti, ettei ryhmänopeudella enää olisi käytännön merkitystä. Väliaineen avulla olisi mahdotonta siirtää tietoa paikasta toiseen valoa nopeammin.

Tutkijoiden mieli muuttui 1970-luvulla, sillä Bell-laboratoriossa työskentelevät Geoffrey Garrett ja Dean McCumber osoittivat, että pulssi saattaa säilyttää muotonsa, jos se on tarpeeksi kapea ja kulkee väliaineessa vain lyhyen matkan. Heidän otaksumansa osoittautui todeksi 1980-luvulla.

Tämänvuotisessa kokeessaan Wang kumppaneineen onnistui järjestämään tilanteen, jossa pulssin eteneminen pystyttiin mittaamaan jokseenkin yksiselitteisesti. Mutta kun prosessia tarkastellaan lähemmin, huomataan, että valoa nopeammin väliaineen halki kiitänyt pulssi ei ollutkaan alkuperäinen.

Alkuperäisen pulssin energia imeytyy lähes kokonaan väliaineeseen. Uuden pulssin energia on peräisin vanhan pulssin eturintamasta, joka ei koko prosessin aikana ylitä valon nopeutta.

Wangin ryhmä käyttää laseria, joka välittää toisella laserilla viritettyjen cesiumkaasun atomien kautta lisäenergiaa valopulssille. Kaasukenno toimii siis eräänlaisena vahvistimena. Energiaa syöttävä lasersäde ruokkii nimenomaan pulssin eturintamaa - lainaa sille energiaa, kuten Steinberg huomauttaa. Pulssin loppupää maksaa velan, josta on muodostunut "tulevaisuuteen" uusi, alkuperäisen muotoinen pulssi. Valoa nopeammin kennosta ilmestynyt uusi pulssi ei sisällä alkuperäisen pulssin energiaa - eikä siis myöskään siinä ollutta tietoa.

Tunneloituminen sattumankauppaa

Samanlaisia ylinopeuksia on saatu aikaan kvanttimekaniikan keinoin tunneloimalla hiukkasia seinämän läpi. Kalifornian yliopistossa työskentelevä Raymond Ciao osoitti jo viitisen vuotta sitten, että fotonit voivat tunneloitua 1,7-kertaisella valon nopeudella.

Tämäkään ei ole ristiriidassa Einsteinin suhteellisuusteorian kanssa, sillä tunneloituminen on sattumanvarainen ilmiö. Yksittäiset fotonit, jotka muodostavat valopulssin, ovat tietyllä todennäköisyydellä tietyssä paikassa. Todennäköisintä on löytää fotoni pulssin huipun kohdalta. Jos epätodennäköisissä paikoissa olevat hiukkaset tunneloituvat ennen pulssin huipun kohdalla olevia fotoneita, huippu voi siirtyä eteenpäin.

Näin päädytään samaan tilanteeseen kuin kiihdyttävän väliaineen tapauksessa: huippu näyttää liikkuvan eteenpäin kielletyllä ylinopeudella, mutta itse asiassa kyse onkin pulssin kopioimisesta, jossa käytetään hyväksi sen liepeiden fotoneita.

1995 saksalaisen Günter Nimtzin johtama ryhmä lähetti tunneloimalla pätkän Mozartin 40. sinfoniaa yli neljä kertaa valoa nopeammin (ks. Tiede 2000 4/95, s. 17). Silti he väittivät, ettei informaatiota siirtynyt valoa nopeammin! Tutkijat vetoavat tunneloitumisen ennustamattomuuteen: aallon mukana ei voi lähettää informaatiota.

Mitä oikein on informaatio?

Suhteellisuusteorian ensimmäinen rajoitus on selvästi voimassa: massa ei kiihdy valon nopeuteen. Entä viestin nopeusrajoitus? Onko se jo rikottu vai ei?

Maijameikäläinen jää ihmettelemään, miksei pelkkä valopulssin ilmestyminen, Mozartin välittäminen tai hiukkasen tilan muuttaminen ylinopeudella ole juuri sitä suhteellisuusteorian kieltämää viestintää. Jos sopisin kaverini kanssa, että hän lähettää valopulssin cesiumkaasua sisältävän kennon läpi heti saapuessaan laboratorioon, saisin tietää hänen olevan siellä ennen kuin hän on paikalla. Enkö?

Kysyin asiaa sähköpostitse NEC-laboratoriossa työskentelevältä Wangilta. Hän vakuutti, ettei viesti kulje ylinopeutta heidän koejärjestelyllään, jossa valopulssi ilmestyi cesiumkennon toiselle puolelle ennen kuin sen huippu oli edes sukeltanut kennoon. - Informaatiota ei voi lähettää valoa nopeammin. Syy on hyvin monimutkainen, Wang vastasi yksikantaan.

Stig Stenholm valaisee syytä seuraavasti:

- Vaikka tieto teoriassa siirtyy pulssin mukana valoa nopeammin, se on käytettävissä vasta, kun sen tiedetään saapuneen. Huipun tunnistaminen taas edellyttää selvästi sen arvoja pienempien arvojen mittaamista, ja tähän kuluu aikaa. Näin pulssin tulo hidastuu alle valon nopeuden.

Näin selittyy eräs koe, mutta entä tästä eteenpäin? Saadaanko viesti kulkemaan ylinopeutta? Vastaus riippuu siitä, mikä on suhteellisuusteorian tarkoittamaa informaatiota.

- Yllättävää kyllä informaatiota ei ole helppo määritellä. Erityisesti kvanttikommunikaatio ja kvanttitietokone ovat herättäneet uusia kysymyksiä, vastaa Stenholm. - Asiaa pohditaan parhaillaan.

Leena Tähtinen on tähtitieteen dosentti, vapaa tiedetoimittaja ja lehden vakituinen avustaja.




Sisältö jatkuu mainoksen alla