Ar informacija gali judėti greičiau už šviesą? Valerie Jamieson straipsnyje, atspausdintame žurnale "New Scientist", kurį čia trumpai atpasakojame, teigiama, kad viskas priklauso nuo to, kaip matuosime tą informacijos sklidimo greitį.

   Atletu Lijun Wango nepavadinsi, nors jam ir priklauso pasaulinis greičio rekordas. Wangas ir jo kolegos iš NEC mokslinio instituto Princetone (JAV) užregistravo lazerio impulsą, judantį cezio garais užpildyta talpa milžinišku 100 mlrd. metrų per sekundę greičiu, 300 kartų greičiau už visuotinai pripažintą šviesos greičio vakuume vertę. Impulsai judėjo taip greitai, kad išnirdavo iš talpos dar net nesuspėję visiškai į ją įeiti.

   Eksperimentas, apie kurį visame pasaulyje buvo pranešama pirmuosiuose laikraščių puslapiuose, sukėlė daug kalbų apie tariamai pažeistą garsųjį principą, pagal kurį niekas pasaulyje negali judėti greičiau už šviesą. Tačiau informatikos mokslo teoretikai, tokie kaip Sethas Lloydas iš Massachusetso technologijos instituto Kembridžo mieste (JAV), turi paruoštą išeitį iš šio prieštaravimo. Iš tiesų niekas čia ir nejuda greičiau už šviesą. Tik atrodo, kad taip vyksta. Wango impulsais nėra pernešama jokia informacija. "Naudodamiesi tokia technologija, jūs negalėsite pasiųsti informacijos greičiau, negu juda šviesa", - teigia Lloydas. Jeigu pavyktų tai padaryti, būtų galima grįžti atgal į praeitį, be to, sugriūtų pats priežastingumo principas, tvirtinantis, kad kiekvienas įvykis seka po jį sukėlusios priežasties.

   Tačiau kodėl S. Lloydas yra toks įsitikinęs? Tiesa, Wangas nebandė užkoduoti savo impulsuose informacijos, bet kas būtų įvykę pabandžius tai padaryti? Kada fizikas Danas Gauthier iš Duke universiteto (JAV) 2000 m. išgirdo apie Wango eksperimentus, jis paklausė informatikų, kokia yra informacijos perdavimo greičio riba ir buvo šokiruotas, nes atsakymo į šį klausimą niekas nežinojo.

   Bėda ta, kad nėra susitarta, kaip derėtų matuoti informacijos perdavimo greitį. Todėl Gauthier, kartu su savo kolegomis Michaelu Steineriu ir Marku Neifeldu nutarė atlikti eksperimentą ir tą greitį išmatuoti.

   Eksperimento schemą pasirodė ne taip paprasta sukonstruoti, nes apie fundamentaliąją informacijos prigimtį beveik nieko nežinome. Kuo skiriasi signalo, kuriuo yra pernešama informacija, ir paprasto šviesos pluoštelio greičiai?

   Beveik prieš 150 metų austrų fizikas Ludvigas Boltzmanas rado keletą raktų šios problemos sprendimui. Boltzmanas nustatė, kad informacija yra toks pat realus fizikinis dydis, kaip temperatūra ar slėgis. Dujų temperatūra apibūdina vidutinę jas sudarančių molekulių energiją, o slėgis yra susijęs su molekulių smūgių sukeliama stūma, veikiančia indo, kuriame dujos yra uždarytos, sieneles. "Entropija" arba dujų molekulių netvarka susijusi su informacijos apie jų vietą ir greičius trūkumu. Jeigu į patalpą leisite truputį dujų, nebegalėsite nieko pasakyti apie atskiros tų dujų molekulės vietą erdvėje, kitais žodžiais tariant, jūs prarasite informaciją apie molekulės koordinates ir entropija išaugs. Iš principo, kiekviena materijos forma nuo masės neturinčių fotonų iki itin sunkių juodųjų bedugnių gali būti panaudota informacijos perdavimui. Siųsdami signalus mes paprasčiausiai prikabiname juos prie kokios nors fizikinės sistemos. Žmonės informacijos perdavimui naudojo įvairiausias sistemas: nuo dūmų kamuolių ir semaforo vėliavėlių, iki radijo bangų ir lazerių pluoštelių.

Vejantis šviesą

   Einsteinas yra įrodęs, kad fotonai, radijo signalai ir kitos elektromagnetinės bangos visada juda šviesos greičiu, kuris vakuume yra lygus 300 000 km/s. Ši kosminė greičio riba yra įrėžta elektromagnetizmo lygtyse, kurias suformulavo škotų fizikas James Clerkas Maxwellas. Siekdamas išsaugoti Maxwello lygčių vientisumą, Einsteinas padarė išvadą, kad šviesos greitis bus visada toks pats, nesvarbu, kokiu greičiu judėsite jūs (ats. netgi jei jums pavyktų įsėsti į 299 000 km/s greičiu skriejančią raketą, šviesa, pasiųsta paskui, pralenks raketą tuo pačiu 300 000 km/s greičiu).

   Jei remsimės šiuo tvirtinimu, kuris yra Einsteino specialiosios reliatyvumo teorijos kertinis akmuo, atrodytų, jog neįmanoma, kad informacija kada nors galėtų įveiktų šią ribą, nes ribos negali įveikti joks informaciją pernešantis daiktas.

   Bet viskas ne taip paprasta. 1905 m., kai Einsteinas suformulavo savąją teoriją, jis net nenutuokė, kokiu svarbiu dydžiu šiandien taps informacija. Todėl jis padarė prielaidą, kad nėra svarbu, ar šviesa arba radijo bangos naudojami signalų perdavimui, ar ne. "Einsteinas nieko nesakė apie informacijos siuntimo greitį, - sako Lloydas, - jis tik kalbėjo apie šviesos siuntimą".

   Specialioji reliatyvumo teorija paaiškina tiktai tai, kodėl mes niekada negalėsime pasiekti šviesos greičio. Objektai, turintys kad ir pačią mažiausią masę, greitėdami pradės sunkėti. O jeigu jums pavyks priartėti prie šviesos greičio, jūsų raketa taps tokia sunki, kad jai pasiekti šviesos greitį pavyktų tiktai sueikvojus begalinį energijos kiekį. Tačiau pati Einsteino teorija neatmeta galimybės, kad gali egzistuoti kokie nors egzotiški dalykai, sugebantys natūraliai judėti didesniu greičiu negu kosminė riba.

   Kol nebuvo visiško informacijos pagrindų supratimo, kai kurie mokslininkai teigė, kad ji vis tik gali judėti greičiau už šviesą. 1967 m. Geraldas Feinbergas, fizikas iš Rockefellerio universiteto Niujorke įrodė, kad specialioji reliatyvumo teorija nedraudžia šviesos greičio ribą viršyti tam tikroms dalelėms, atsiradusioms Didžiojo sprogimo metu. Jeigu pavyktų informaciją užrašyti tokiuose "tachionuose", būtų galima signalus pasiųsti atgal laike. Tačiau niekas niekada tachionų neužregistravo, todėl daugelis fizikų abejoja, ar jie išvis egzistuoja.

   Visi kiti bandymai viršyti šviesos greitį primena Wango eksperimentus. Vienas iš pirmųjų 1993 m. buvo atliktas Raymondo Chiao grupėje Berklio universitete. Tuomet buvo parodyta, kad kvantų mechanika leidžia šviesos impulsams tariamai įveikti greičio ribą. Pagal kvantų teoriją, šviesos dalelei fotonui atsitrenkus į neskaidrią sienelę egzistuoja tam tikra tikimybė, kad ji ne atsimuš atgal, o tuneliuos skersai sienelę. Chiao pademonstravo, kad fotonai, sudarantys impulsą, tuneliuojantį skersai filtrą, sudarytą iš plonų titano oksido ir kvarco sluoksnių, sklinda greičiau už šviesos greitį. Jo eksperimente tuneliuojantys fotonai buvo 1,7 karto greitesni už vakuumu sklidusį šviesos impulsą.

   Galiausiai, praėjusiais metais Stefano Longhi iš Milano Technikos universiteto įrodė, kad specialiomis stiklinėmis skaidulomis impulsai gali keliauti net penkiskart greičiau už šviesą. Skaidulose šviesa paprastai sulėtėja, nes stikle ji yra nuolat sugeriama ir išspinduliuojama iš naujo. Siekdamas sumažinti šį efektą, Longhi stiklo skaidulose įraižė tam tikrus darinius, veikiančius panašiai kaip Chiao filtrai.

   Wangas ir jo kolegos nenaudojo filtrų, o pasinaudojo cezio dujomis, kurios pačios gali perduoti, sugerti ir atspindėti fotonus.

Vaizdo iliuzija

   Chiao, Wangas ir kiti tvirtina, kad jų eksperimentai niekaip neprieštarauja priežastingumo principui. Net jei ir atrodo, kad impulsai lenkia šviesos greitį vakuume, mokslininkai teigia, kad tai tėra tik iliuzija. Viskas remiasi paties impulso prigimtimi. Impulse yra daug truputį besiskiriančio ilgio šviesos bangų, kurias sudėjus gaunasi varpo formos impulsas, turintis centrinį maksimumą ir priekyje bei užpakalyje nusitęsiančias uodegas.

   Kai šviesa keliauja per filtrą, didžioji jos dalis yra atomų sugeriama ir remituojama. Tos šviesos bangos, kurios nėra sugeriamos, gali arba tuneliuoti per filtro sluoksnius, arba atsispindėti atgal. Pirmosios detektorių pasieks tos bangos, kurios pasirinks patį greičiausiąjį kelią. Visi minėtieji procesai keis impulso formą, nukirsdami uodegą užpakalyje ir apkarpydami maksimumo dydį. Taigi, kai impulsas išnirs iš filtro, gali pasirodyti, kad jis šoktelėjo pirmyn. Jeigu jūsų matavimai remsis impulso atkeliavimo iki detektoriaus laiku, darysite išvadą, kad impulso kaip visumos greitis, jo "grupinis greitis" viršija šviesos greitį.

   Bet ar impulse užkoduota informacija irgi sklis šiuo grupiniu greičiu? Ar informacija gali sklisti greičiau už šviesą? Guenteris Nimtzas iš Kelno universiteto Vokietijoje tiki, kad taip gali būti. Jis išgarsėjo užkodavęs Mozarto simfoniją Nr. 40 mikrobangų sraute kaip kad radijo sritys savo siunčiamose bangose koduoja popsą. Normalioje situacijoje radijo bangos ir mikrobangos sklinda šviesos greičiu, bet kai Nimtzas pasiuntė signalą per tunelinį komponentą, nustatė, kad užkoduotosios mikrobangos judėjo 4,7 karto greičiau nei šviesos greitis vakuume. Iškodavus signalą, jame vis dar buvo galima atpažinti Mozarto šedevrą. Tai, jo nuomone, demonstruoja, kad informacija išties gali sklisti greičiau už šviesą.

   Nimtzas teigia, jog apdorojant signalu perduodamą informaciją, reikia išklausyti jį visą. Taigi, informacijos perdavimo greitį reikia matuoti matuojant viso impulso greitį. Kitaip tariant, Nimtzas mano, kad informacija sklinda šviesos greičiu. Be to, jis yra įsitikinęs, kad iš silicio ir germanio pagamintus tunelinius filtrus įstačius į elektronikos grandynus, jie galėtų žymiai paspartinti kompiuterius. Dabar signalai vario takeliais sklinda greičiu, maždaug lygiu dviem trečdaliams šviesos greičio vakuume.

   Bet su Nimtzo pažiūromis daug kas nenori sutikti. Pasak Chiao, impulso smailės atkeliavimas dar nebūtinai sutaps su pačios informacijos atkeliavimu. Jis mano, kad svarbu nustatyti patį pirmąjį akimirksnį, kada ji pasirodo.

   Metų metais Nimtzas ir Chiao ginčijosi dėl to, kuris iš judviejų yra teisus. Bėda ta, kad niekas nesugebėjo patikrinti Chiao pateikto informacijos sklidimo greičio apibrėžimo. Norint tai padaryti, reikalingas šviesos ar radijo bangų impulsas, kuris įsijungia akimirksniu. Kai turime įprastinius varpo formos impulsus, jų amplitudė auga labai lėtai, todėl tiksliai nustatyti impulsų atkeliavimo momentą labai sunku.

   Gauthier ir jo kolegos sugalvojo kitokį eksperimentą. Jie sumanė informaciją perduoti naudodami dviejų raidžių šviesos "abėcėlę". Gauthier ir Stenneris pasitelkė prietaisą, vadinamą bangos formos generatorium, kuris leido jiems tiksliau nustatyti šviesos impulsų formą. Priekinė jų "raidžių" dalis buvo visad vienoda - pusė kylančio varpo. Prie pat impulsų viršūnės mokslininkai arba pastiprindavo šviesos intensyvumą, arba jį sumažindavo - šitaip atsirasdavo du labai skirtingi impulsai. Būtent tie impulso formos krestelėjimai ir buvo taškai, kuriuose buvo užkoduojama siunčiamoji informacija. Taigi, informaciją, įrašytą kiekviename impulse, buvo galima nustatyti tiktai užregistravus tokius impulsų trūkius.

   Norėdami išmatuoti informacijos sklidimo greitį, Gauthier ir Stenneris pasiuntė impulsus per dujų talpą, primenančią naudotąją Wango ir jo kolegų iš NEC laboratorijos, ir išmatavo laiką, per kurį impulsai pasiekia detektorių. Siųsdami tradicinius varpo formos impulsus, jie, kaip ir Wango grupė, rado, kad šie sklinda apie 20 kartų greičiau už šviesą. Bet, pasiuntę į dujas dvi raides, jie labai nustebo.

Abėcėlės tvarka

   Netgi tada, kai priekinė impulsų dalis keliaudavo kur kas greičiau už šviesą, impulsų intensyvumo trūkiai atkeliaudavo tiksliai šviesos greičiu. Taigi, informacijos sklidimo greitis neturėjo nieko bendro su impulsą sudarančių šviesos bangų grupiniu greičiu. Kai Gauthier ir Stenneris per dujas paleisdavo dvi skirtingas raides, impulsų priekiniai frontai visada pasiekdavo detektorių tuo pačiu metu. Taigi, jie nesugebėdavo atskirti dviejų raidžių tol, kol nepasirodydavo impulsų intensyvumo trūkiai.

   Nors Gauthier darbas ir leido išnarplioti vieną paslaptį, ginčai dėl tikrosios informacijos prigimties vis dar tęsiasi. Vis dar nėra ryšio tarp šių eksperimentų ir informacijos per entropiją - fizikinės sistemos netvarkos matą. Kitame bandyme Gauthier paleido savąją šviesos impulsų "abėcėlę" per įrenginį, kuris sulėtina šviesą iki pėsčiojo greičio. Kaip elgsis trūkiai: ar jie irgi sulėtės, ar ir toliau keliaus šviesos greičiu vakuume? Rezultatai iki šiol nėra paskelbti, bet jei trūkiai ir šiuo atveju sklis šviesos greičiu, tai dar kartą patvirtins, jog impulse užkoduota informacija iš esmės skiriasi nuo impulsą sudarančių bangų grupinio greičio. Nepaisant keisto šviesos impulsų elgesio, gamta vis dar gerbia savo pačios nustatytąją greičio ribą.