Astronomie

Certaines galaxies entrent-elles en collision plus vite que la vitesse de la lumière ?

Certaines galaxies entrent-elles en collision plus vite que la vitesse de la lumière ?


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Si certaines galaxies s'éloignent les unes des autres plus vite que la vitesse de la lumière, alors entrent-elles en collision plus vite que la vitesse de la lumière ?

Mise à jour 1 :

  • Je suppose que ma question est quelle est la vitesse/vitesse maximale à laquelle les galaxies peuvent se déplacer les unes vers les autres ?
  • Combien de temps faut-il aux galaxies pour entrer en collision ?

Si vous pouviez utiliser cet exemple, ce serait génial. Galaxie A : diamètre de 3 000 années-lumière Galaxie B : diamètre de 300 000 années-lumière

Si la galaxie A entre en collision avec la galaxie B, quelle serait la vitesse lors de la collision ? Je n'ai aucune idée du temps et de la distance.


Si certaines galaxies s'éloignent les unes des autres plus vite que la vitesse de la lumière, alors entrent-elles en collision plus vite que la vitesse de la lumière ?

La réponse courte est non".

L'agrandissement de la loin l'univers à des vitesses apparentes plus rapides que la lumière est due à l'expansion de l'espace. Mais la vitesse de cette expansion dépend de la distance qui sépare l'observateur de l'objet. S'il y a deux objets A et B que nous voyons apparemment s'éloigner de nous à une vitesse supérieure à la vitesse de la lumière en raison de l'expansion de l'espace-temps, alors c'est ne pas comment les objets se verront. Elles seront proches les unes des autres donc de leurs référentiels l'expansion de l'espace-temps est négligeable (tout comme elle l'est pour nous et nos galaxies "locales").

Dans le futur, nous pensons que l'univers pourrait s'étendre encore plus rapidement à de "petites" distances, mais dans ce cas, les deux objets ne pourraient pas entrer en collision. Une fois qu'ils peuvent entrer en collision, ils sont suffisamment proches pour que les effets de l'expansion de l'univers ne les fassent pas s'éloigner plus vite que la lumière. Une fois que les objets se séparent plus rapidement que la lumière, ils ne peuvent pas entrer en collision (à moins que l'univers entier ne commence à se contracter).

S'ils s'éloignent les uns des autres plus rapidement que la lumière (en raison de l'expansion de l'espace-temps), alors il n'y a aucun moyen pour eux de se heurter. Aucune attraction ne pourrait vaincre l'expansion de l'espace-temps si elle a déjà atteint le point où ils s'éloignent plus vite que la lumière. Il faudrait que l'univers entier commence à contracter pour le faire.

Donc, s'il doit entrer en collision avec vous, un objet ne peut pas se déplacer plus vite que la lumière par rapport à vous.

Combien de temps faut-il aux galaxies pour entrer en collision ?

Cela dépend de la vitesse à laquelle ils se rapprochent. En théorie, ils ne peuvent pas s'approcher plus vite que la lumière, donc la limite supérieure est (de façon simpliste) la distance divisée par la vitesse de la lumière.

Un exemple plus réaliste serait Andromède et la Voie lactée qui se rapprochent à une vitesse relative de 300 km/s. Andromède est à environ 2,5 millions d'années-lumière et les estimations actuelles indiquent une collision dans environ 4,5 milliards d'années, donc cela se déplace beaucoup, beaucoup plus lentement que la vitesse de la lumière.


Nous savons que certaines galaxies s'éloignent de nous plus rapidement que la vitesse de la lumière et nous le savons en mesurant le décalage vers le rouge, mais comment est-ce possible ?

Les articles suivants donnent de bonnes explications :

En résumé, la loi de Hubble : $v = H(t)D$, où $v$ est la vitesse de récession, $D$ est la distance et $H(t)$ est la "constante" de Hubble à un moment donné, exige que au-delà d'une certaine distance, la vitesse est supérieure à la vitesse de la lumière. Si la vitesse de récession à l'emplacement d'un photon en déplacement était supérieure à la vitesse de la lumière pendant tout le temps où le photon d'une galaxie lointaine voyageait, nous n'observerions jamais le photon. Un photon émis par une galaxie s'éloignant de nous plus rapidement que la lumière, s'éloigne également de nous dans un premier temps. Cependant, le photon peut éventuellement atteindre une région de l'espace-temps où la récession par rapport à nous est de ltc$. Dans ce cas, le photon peut nous parvenir. La relation exacte entre le décalage vers le rouge et la vitesse dépend du modèle cosmologique, mais selon les références ci-dessus, les galaxies avec des décalages vers le rouge supérieurs à

3 étaient et s'éloignent de nous plus vite que la lumière.

S'ils s'éloignent, disons à 2c, comment serait la lumière de la galaxie ? même nous atteindre?

Seulement si les photons de la galaxie atteignent une région de l'espace-temps où la vitesse de récession est de ltc$.

Comment mesurons-nous le « redshift » pour quelque chose de plus rapide que la lumière ?

Le décalage vers le rouge est mesuré comme le changement de longueur d'onde de la lumière, mais plutôt que d'interpréter les résultats en utilisant la relativité restreinte (ce qui entraînerait $v<c$ pour tous les décalages vers le rouge), les résultats sont interprétés dans le contexte d'un modèle cosmologique et général relativité.

La lumière d'au-delà de la sphère de Hubble (l'endroit où la vitesse de récession est égale à la vitesse de la lumière) nous parvient quotidiennement.

Je ne suis pas assez bon physicien pour proposer une bonne explication de profane à ce fait, mais cela pourrait aider à penser en comoving coordonnées : c'est un système de coordonnées spécial où la grille de coordonnées s'étend avec l'espace, c'est-à-dire même si la distance appropriée entre les galaxies augmentera, leurs coordonnées ne changeront pas.

Dans ce système de coordonnées, la lumière ne se fige pas sur la sphère de Hubble (comme on pourrait s'y attendre), mais se déplace régulièrement de l'émetteur à l'observateur éventuel, indépendamment de tout changement de distance appropriée.

Le mouvement constant vers nous devrait en fait également être vrai pour la lumière émise au-delà de l'horizon des événements cosmique (la chose qui délimite réellement l'univers d'observation) - il faut juste à la lumière un temps plus qu'infini pour nous atteindre)

En ce qui concerne la deuxième partie de votre question sur le décalage vers le rouge : cela ne dépend pas des vitesses de récession, mais plutôt des vitesses relatives calculées par le transport parallèle le long du trajet de la lumière (et devrait rester en dessous de $c$ jusqu'à ce que vous atteigniez l'horizon des événements) .

Je ne suis pas spécialiste de la gravité ou de la cosmologie. Cependant, je sais (sans détails) qu'A. Peres a prouvé que la vitesse de la lumière n'était pas la même tout au long de l'histoire de l'univers. La référence est

Int. J. Mod. Phys. D, 12, 1751 (2003). DOI : 10.1142/S0218271803004043

International Journal of Modern Physics D (Astrophysique de la gravitation et cosmologie)

Volume 12, numéro 09, octobre 2003

VARIABILITÉ DES CONSTANTES FONDAMENTALES

ASHER PERES, Cet essai a reçu une "mention honorable" dans le Concours d'Essai 2003 de la Gravity Research Foundation.

Ils ne reculent tout simplement pas plus vite que la lumière.

Les vitesses de récession sont définies comme la rapidité en relativité restreinte. Si A, B, . Z s'éloignent tous l'un de l'autre en ligne, et A et C s'éloignent de B à une vitesse $v$ suffisamment petite pour que la vitesse relative newtonienne soit une approximation raisonnable, et B et D s'éloignent de C en même temps vitesse, et ainsi de suite, alors la rapidité relative de A et Z est de $25v$ par définition. Si $v=0.05c$ alors la vitesse relative est de $1.25c$ , tandis que la vitesse relative $dx/dt$ est de .85c$ . Rien ne va plus vite que la lumière. La vitesse $c$ n'a pas de signification particulière lorsqu'on parle de rapidité.

Tout cela est également vrai pour les vitesses de récession cosmologiques. Cela n'a aucun sens de les comparer à la vitesse de la lumière car ils sont définis de telle manière qu'il n'y a aucune valeur représentant la vitesse de la lumière - certainement pas $c$ .

Je pense que les gens tombent dans le piège de penser que si vous avez suffisamment de galaxies alignées, toutes s'éloignant les unes des autres, vous doit finalement arriver à un point où ils se déplacent vraiment vraiment plus vite que la lumière, mais ce n'est tout simplement pas vrai. Encore une fois, c'est faux, même en relativité restreinte. Vous pouvez ajouter un millier de galaxies supplémentaires à la fin de la ligne des 26 sans problème, toutes à la même distance les unes des autres à un moment donné, tel que mesuré par des mètres et des horloges mobiles synchronisés lorsque les galaxies étaient au même point. Il y a un nombre illimité de place "juste à moins de $c$ ". On pourrait dire que c'est à cause de la contraction de la longueur qu'il y a un espace illimité, mais notez que c'est une situation complètement symétrique : vous pouvez mettre n'importe quelle galaxie au centre avec un boost de Lorentz.

En cosmologie réelle, vous pouvez en fait considérer les galaxies lointaines comme étant contractées en longueur si vous voulez, du moins si la courbure spatiale n'est pas positive. Vous pouvez intégrer de manière conforme n'importe quel univers FLRW à courbure négative dans l'espace de Minkowski d'une manière similaire au modèle de jouet relativiste spécial. Dans les coordonnées quasi-Minkowski, la lumière voyage à $|dx/dt|=c$ , toutes les galaxies ont $|dx/dt|<c$ , et celles avec des vitesses proches de $c$ sont contractées de Lorentz.

Dans la cosmologie ΛCDM, vous avez un horizon cosmologique, et vous ne recevrez jamais un autre signal d'une galaxie après avoir traversé l'horizon. Cela ne signifie toujours pas qu'elle recule plus rapidement que la lumière dans un sens physiquement significatif. Dans les plongements conformes, l'horizon apparaît parce que l'univers se termine à un temps conforme fini (ce qui en fait un renversement temporel du problème de l'horizon du big bang). Je ne dis pas que c'est l'explication vraie et correcte de l'horizon, mais c'est une explication correcte. Ce n'est certainement pas le cas qu'une galaxie dépassera jamais un faisceau lumineux, donc toute explication dans ce sens n'est pas correcte.

La réponse acceptée offre cette explication de la capacité de la lumière à dépasser l'expansion :

Un photon émis par une galaxie s'éloignant de nous plus rapidement que la lumière, s'éloigne également de nous dans un premier temps. Cependant, le photon peut éventuellement atteindre une région de l'espace-temps où la récession par rapport à nous est de ltc$ . Dans ce cas, le photon peut nous parvenir.

C'est une explication correcte. C'est aussi une explication correcte du cas relativiste spécial, si vous mesurez la distance totale telle qu'elle est mesurée en cosmologie, comme la somme des distances mesurées par des mètres como mobiles locaux à des moments qui sont simultanés selon les horloges mobiles locales. Le système de coordonnées effectivement défini de cette manière est similaire aux coordonnées de Rindler avec l'espace et le temps inversés. Dans les coordonnées de Rindler, il y a un décalage vers le rouge gravitationnel même si l'espace-temps est Minkowski. Dans ces coordonnées quasi-cosmologiques, il y a un "espace en expansion" et un décalage vers le rouge cosmologique même si l'espace-temps est Minkowski.


Comment est-il possible que les galaxies s'éloignent de nous plus rapidement que la vitesse de la lumière ?

Selon Albert Einstein, la vitesse de la lumière est une constante absolue au-delà de laquelle rien ne peut aller plus vite. Alors, comment les galaxies peuvent-elles voyager plus vite que la vitesse de la lumière si rien n'est censé pouvoir dépasser cette limite de vitesse cosmique ?

Je suis un petit monde de contradictions. "Même la lumière elle-même ne peut échapper à un trou noir", et ensuite, "les trous noirs sont les objets les plus brillants de l'Univers". J'ai aussi dit "rien ne peut voyager plus vite que la vitesse de la lumière". Et puis je dirai quelque chose comme « les galaxies s'éloignent de nous plus vite que la vitesse de la lumière ». Il y a plus que quelques éléments sur cette liste, et c'est au mieux déroutant. Merci Univers !

Alors, comment les galaxies peuvent-elles voyager plus vite que la vitesse de la lumière alors que rien ne peut voyager plus vite que la lumière ? Les galaxies à vitesse de distorsion apparaissent lorsque je parle de l'expansion de l'Univers. C'est peut-être l'accélération de l'énergie noire, ou la première période d'inflation de l'Univers où TOUT s'est étendu plus vite que la vitesse de la lumière.

Imaginez notre Univers en expansion. Ce n'est pas une explosion d'un endroit spécifique, avec des galaxies dévalant comme un jetsam cosmique. C'est une extension de l'espace. Il n'y a pas de centre et l'Univers ne se développe en rien.

J'ai suggéré qu'il s'agissait d'un modèle terriblement simplifié pour l'expansion de notre Univers. Malheureusement, c'est aussi terriblement pratique. Je peux le voler à mes enfants quand je veux.

Imaginez que vous êtes ce nœud ici, et à mesure que le jouet se développe, vous voyez tous ces autres nœuds s'éloigner de vous. Et si vous deviez vous déplacer vers un autre nœud, vous verriez tous les autres nœuds s'éloigner de vous.

Voici la partie intéressante, ces nœuds ici, deux fois plus éloignés que les plus proches, semblent s'éloigner plus rapidement de vous. Plus le nœud est éloigné, plus il semble s'éloigner rapidement de vous.

C'est notre drôle d'ami, la constante de Hubble, l'idée que pour chaque mégaparsec de distance entre nous et une galaxie lointaine, la vitesse qui les sépare augmente d'environ 71 kilomètres par seconde.

Les galaxies séparées par 2 parsecs augmenteront leur vitesse de 142 kilomètres par seconde. Si vous courez le marathon, une fois que vous êtes à 4 200 mégaparsecs, deux galaxies se verront voyager plus vite que la vitesse de la lumière. Mais quelle taille est cela, et est-il plus grand que l'Univers ?

La toute première lumière, le rayonnement de fond cosmique micro-ondes, est à 46 milliards d'années-lumière de nous dans toutes les directions. J'ai fait le calcul et 4 200 mégaparsecs, c'est un peu plus de 13,7 milliards d'années-lumière. Il y a des montagnes de place pour que les objets soient à plus de 4 200 mégaparsecs les uns des autres.

La majeure partie de l'Univers que nous pouvons voir s'éloigne déjà à une vitesse supérieure à la vitesse de la lumière. Alors, comment est-il possible de voir la lumière de n'importe quelle galaxie se déplacer plus vite que la vitesse de la lumière. Comment pouvons-nous même voir le rayonnement de fond cosmique à micro-ondes ?


Plus lent que la vitesse de la lumière

Le prochain grand ensemble de particules (pour autant que nous le sachions, toutes celles qui ne sont pas des bosons) se déplacent plus lentement que la vitesse de la lumière. La relativité nous dit qu'il est physiquement impossible d'accélérer ces particules assez rapidement pour atteindre la vitesse de la lumière. Pourquoi est-ce? Cela revient en fait à quelques concepts mathématiques de base.

Puisque ces objets contiennent de la masse, la relativité nous dit que l'équation énergie cinétique de l'objet, basée sur sa vitesse, est déterminée par l'équation :

Il se passe beaucoup de choses dans l'équation ci-dessus, alors décompressons ces variables :

  • γ est le facteur de Lorentz, qui est un facteur d'échelle qui apparaît à plusieurs reprises en relativité. Il indique le changement de différentes quantités, telles que la masse, la longueur et le temps, lorsque les objets se déplacent. Depuis γ = 1 / / racine carrée de (1 - v 2 /c 2 ), c'est ce qui provoque l'aspect différent des deux équations présentées.
  • m0 est la masse au repos de l'objet, obtenue lorsqu'il a une vitesse de 0 dans un référentiel donné.
  • c est la vitesse de la lumière dans l'espace libre.
  • v est la vitesse à laquelle l'objet se déplace. Les effets relativistes ne sont sensiblement significatifs que pour des valeurs très élevées de v, c'est pourquoi ces effets pouvaient être ignorés bien avant l'arrivée d'Einstein.

Remarquez le dénominateur qui contient la variable v (pour la vitesse). Au fur et à mesure que la vitesse se rapproche de la vitesse de la lumière (c), cette v 2 /c 2 terme se rapprochera de plus en plus de 1 . ce qui signifie que la valeur du dénominateur ("la racine carrée de 1 - v 2 /c 2") se rapprochera de plus en plus de 0.

Au fur et à mesure que le dénominateur diminue, l'énergie elle-même devient de plus en plus grande, approchant l'infini. Par conséquent, lorsque vous essayez d'accélérer une particule presque à la vitesse de la lumière, il faut de plus en plus d'énergie pour le faire. En fait, accélérer à la vitesse de la lumière elle-même nécessiterait une quantité infinie d'énergie, ce qui est impossible.

Par ce raisonnement, aucune particule qui se déplace plus lentement que la vitesse de la lumière ne peut jamais atteindre la vitesse de la lumière (ou, par extension, aller plus vite que la vitesse de la lumière).


Sujet : Pouvons-nous voir les galaxies reculer à une vitesse supérieure à la vitesse de la lumière ?

Je pense que ces galaxies avec une vitesse supérieure à la vitesse de la lumière sont en fait au-delà de "l'univers observable" et, par conséquent, nous ne pouvons pas les voir car leur lumière ne nous atteindra jamais - du moins selon la science dominante.

Voici le fil « Aidez George à le comprendre » qui m'a toléré de le battre à mort pour enfin « l'obtenir ».

La métaphore de la fourmi a été utilisée de telle sorte que la fourmi représentait la galaxie, où la fourmi se déplaçait plus lentement que l'élastique qu'elle étendait.

Oui, nous pouvons voir des galaxies qui reculaient plus vite que la lumière lorsqu'elles ont émis les photons que nous voyons maintenant, et qui le font toujours à l'époque actuelle.
Tisseur de lignes & amp Davis's Scientifique américain article, Misconceptions About The Big Bang (440 Ko pdf), donne un compte rendu assez clair de la façon dont cela fonctionne.

Tous - C'est moi qui ai posté cette déclaration [à tort ] dans un autre fil. Je vois maintenant le malentendu que j'ai fait. Ce que j'aurais dû dire, c'est "la lumière quittant ces galaxies n'atteindra jamais la Terre parce que la source s'éloigne de nous à une vitesse supérieure à la vitesse de la lumière et la lumière que nous voyons maintenant a été émise par la galaxie alors qu'elle ne s'éloignait pas de nous à une vitesse supérieure à la vitesse de la lumière. Désolé pour la confusion.

Pour clarifier, je comprends que selon la pensée actuelle que les photons quittant lesdites galaxies peuvent dépasser l'espace qui ne s'éloigne pas de nous aussi vite et finiront donc par atteindre l'espace s'éloignant à une vitesse inférieure à la vitesse de la lumière et donc finalement nous atteindre et, donc , nous pouvons voir des galaxies qui s'éloignent de nous à une vitesse supérieure à la vitesse de la lumière. Cela ne semble pas très logique et je ne suis pas sûr que ce soit autre chose que de la théorie, mais je comprends le concept. Je ne suis pas sûr d'être d'accord avec ça.

C'est en fait mathématiquement inévitable, pour un ensemble de modèles d'espace en expansion qui incluent notre meilleur modèle actuel.

Pour la simple analogie du ver rampant le long d'une corde élastique dont la longueur augmente à une vitesse constante supérieure à la vitesse de rampe du ver, cela revient à prouver que la série 1/2 + 1/3 + 1/4 + . 1/n ne converge jamais.

(BTW : je suppose que le message n°5 que je cite ci-dessus remplace en fait le message n°4 immédiatement précédent, car ils disent des choses différentes.)

. (BTW : je suppose que le message n°5 que je cite ci-dessus remplace en fait le message n°4 immédiatement précédent, car ils disent des choses différentes.)

Le post #4 est ce que j'essayais logiquement de dire à l'origine.

Le post #5 dit que je comprends la théorie actuelle, je ne suis pas nécessairement d'accord avec elle.

Je sais que cette discussion a déjà eu lieu ici avec l'analogie "ant et la corde" mais ce message a été révisé après coup avec un avertissement selon lequel il serait difficile de comprendre le message actuellement en raison d'une telle révision et je n'ai donc pas lu l'intégralité du message. Si cela ne vous prend pas trop de temps, pouvez-vous expliquer cette analogie plus en détail ?


Contenu

Dans le cadre de cet article, FTL est la transmission d'informations ou de matières plus rapide que c, une constante égale à la vitesse de la lumière dans le vide, qui est de 299 792 458 m/s (par définition du mètre [7] ) soit environ 186 282,397 miles par seconde. Ce n'est pas tout à fait la même chose que de voyager plus vite que la lumière, car :

  • Certains processus se propagent plus rapidement que c, mais ne peut pas transporter d'informations (voir les exemples dans les sections qui suivent immédiatement).
  • Dans certains matériaux où la lumière voyage à grande vitesse c/n (où m est l'indice de réfraction) d'autres particules peuvent voyager plus vite que c/n (mais toujours plus lent que c), conduisant au rayonnement Cherenkov (voir vitesse de phase ci-dessous).

Aucun de ces phénomènes ne viole la relativité restreinte ou crée des problèmes de causalité, et donc ni l'un ni l'autre ne peut être qualifié de FTL comme décrit ici.

Dans les exemples suivants, certaines influences peuvent sembler voyager plus vite que la lumière, mais elles ne transmettent pas d'énergie ou d'informations plus rapidement que la lumière, elles ne violent donc pas la relativité restreinte.

Mouvement quotidien du ciel Modifier

Pour un observateur terrestre, les objets dans le ciel effectuent une révolution autour de la Terre en une journée. Proxima Centauri, l'étoile la plus proche en dehors du système solaire, se trouve à environ quatre années-lumière. [8] Dans ce référentiel, dans lequel Proxima Centauri est perçu comme se déplaçant selon une trajectoire circulaire avec un rayon de quatre années-lumière, il pourrait être décrit comme ayant une vitesse plusieurs fois supérieure à c comme la vitesse de la jante d'un objet se déplaçant dans un cercle est un produit du rayon et de la vitesse angulaire. [8] Il est également possible sur une vue géostatique, pour des objets tels que les comètes de faire varier leur vitesse du subluminal au supraluminal et vice versa simplement parce que la distance de la Terre varie. Les comètes peuvent avoir des orbites qui les emmènent à plus de 1000 UA. [9] La circonférence d'un cercle d'un rayon de 1000 UA est supérieure à un jour-lumière. En d'autres termes, une comète à une telle distance est supraluminique dans un référentiel géostatique, et donc non inertiel.

Points lumineux et ombres Modifier

Si un faisceau laser est balayé à travers un objet distant, la tache de lumière laser peut facilement être amenée à se déplacer à travers l'objet à une vitesse supérieure à c. [10] De même, une ombre projetée sur un objet distant peut être amenée à se déplacer à travers l'objet plus rapidement que c. [10] Dans aucun des cas, la lumière ne voyage de la source à l'objet plus rapidement que c, et aucune information ne voyage plus vite que la lumière. [10] [11] [12]

Vitesses de fermeture Modifier

La vitesse à laquelle deux objets en mouvement dans un même référentiel se rapprochent s'appelle la vitesse mutuelle ou de fermeture. Celle-ci peut approcher le double de la vitesse de la lumière, comme dans le cas de deux particules se déplaçant à une vitesse proche de la vitesse de la lumière dans des directions opposées par rapport au référentiel.

Imaginez deux particules en mouvement rapide s'approchant de part et d'autre d'un accélérateur de particules de type collisionneur. La vitesse de fermeture serait la vitesse à laquelle la distance entre les deux particules diminue. Du point de vue d'un observateur au repos par rapport à l'accélérateur, ce taux sera légèrement inférieur au double de la vitesse de la lumière.

La relativité restreinte ne l'interdit pas. Il nous dit qu'il est faux d'utiliser la relativité galiléenne pour calculer la vitesse d'une des particules, telle qu'elle serait mesurée par un observateur voyageant à côté de l'autre particule. C'est-à-dire que la relativité restreinte donne la formule d'addition de vitesse correcte pour calculer une telle vitesse relative.

Il est instructif de calculer la vitesse relative des particules se déplaçant à v et -v dans le cadre de l'accélérateur, ce qui correspond à la vitesse de fermeture de 2v > c. Exprimer les vitesses en unités de c, β = v/c:

Vitesses correctes Modifier

Si un vaisseau spatial se rend à une planète à une année-lumière (tel que mesuré dans le repère de repos de la Terre) de la Terre à grande vitesse, le temps nécessaire pour atteindre cette planète pourrait être inférieur à un an tel que mesuré par l'horloge du voyageur (bien qu'il être toujours plus d'un an tel que mesuré par une horloge sur Terre). La valeur obtenue en divisant la distance parcourue, telle que déterminée dans le cadre de la Terre, par le temps pris, mesuré par l'horloge du voyageur, est connue sous le nom de vitesse appropriée ou de vitesse appropriée. Il n'y a pas de limite sur la valeur d'une vitesse appropriée car une vitesse appropriée ne représente pas une vitesse mesurée dans un seul référentiel inertiel. Un signal lumineux quittant la Terre en même temps que le voyageur arriverait toujours à destination avant le voyageur.

Distance possible de la Terre Modifier

Puisqu'on ne peut pas voyager plus vite que la lumière, on pourrait conclure qu'un humain ne peut jamais s'éloigner de la Terre à plus de 40 années-lumière si le voyageur est actif entre 20 et 60 ans. Un voyageur ne pourrait alors jamais atteindre plus de que les très rares systèmes stellaires qui existent dans la limite de 20 à 40 années-lumière de la Terre. C'est une conclusion erronée : en raison de la dilatation du temps, le voyageur peut parcourir des milliers d'années-lumière au cours de ses 40 années actives. Si le vaisseau spatial accélère à 1 g constant (dans son propre référentiel changeant), il atteindra, au bout de 354 jours, des vitesses un peu inférieures à la vitesse de la lumière (pour un observateur sur Terre), et la dilatation du temps augmentera la vitesse du voyageur. durée de vie à des milliers d'années terrestres, vue du système de référence du système solaire ⁠— mais la durée de vie subjective du voyageur ne changera pas pour autant. S'ils revenaient ensuite sur Terre, le voyageur arriverait sur Terre des milliers d'années dans le futur. Leur vitesse de déplacement n'aurait pas été observée depuis la Terre comme étant supraluminale ⁠ - ni d'ailleurs cela ne semblerait être le cas du point de vue du voyageur - mais le voyageur aurait plutôt subi une contraction de la longueur de l'univers dans sa direction de déplacement. Une fois que le voyageur aura inversé sa trajectoire, la Terre semblera connaître beaucoup plus de temps que le voyageur. Ainsi, alors que la vitesse des coordonnées (ordinaires) du voyageur ne peut pas dépasser c, leur vitesse propre, ou distance parcourue depuis le point de référence de la Terre divisée par le temps propre, peut être bien supérieure à c. Cela se voit dans les études statistiques de muons voyageant beaucoup plus loin que c fois leur demi-vie (au repos), si vous voyagez près de c. [13]

Vitesses de phase ci-dessus c Éditer

La vitesse de phase d'une onde électromagnétique, lorsqu'elle se déplace à travers un milieu, peut régulièrement dépasser c, la vitesse du vide de la lumière. Par exemple, cela se produit dans la plupart des verres à des fréquences de rayons X. [14] Cependant, la vitesse de phase d'une onde correspond à la vitesse de propagation d'une composante théorique à fréquence unique (purement monochromatique) de l'onde à cette fréquence. Une telle composante d'onde doit être d'étendue infinie et d'amplitude constante (sinon elle n'est pas vraiment monochromatique), et ne peut donc véhiculer aucune information. [15] Ainsi une vitesse de phase supérieure c n'implique pas la propagation de signaux avec une vitesse supérieure c. [16]

Vitesses de groupe ci-dessus c Éditer

La vitesse de groupe d'une onde peut également dépasser c dans certaines circonstances. [17] [18] Dans de tels cas, qui impliquent généralement en même temps une atténuation rapide de l'intensité, le maximum de l'enveloppe d'une impulsion peut se déplacer avec une vitesse supérieure à c. Cependant, même cette situation n'implique pas la propagation de signaux avec une vitesse supérieure à c, [19] même si l'on peut être tenté d'associer des maxima d'impulsion aux signaux. Cette dernière association s'est avérée trompeuse, car l'information sur l'arrivée d'une impulsion peut être obtenue avant que le maximum d'impulsion n'arrive. Par exemple, si un mécanisme permet la transmission complète de la partie avant d'une impulsion tout en atténuant fortement le maximum d'impulsion et tout ce qui se trouve derrière (distorsion), le maximum d'impulsion est effectivement décalé vers l'avant dans le temps, tandis que l'information sur l'impulsion n'est pas plus rapide. que c sans cet effet. [20] Cependant, la vélocité de groupe peut dépasser c dans certaines parties d'un faisceau gaussien dans le vide (sans atténuation). La diffraction fait que le pic de l'impulsion se propage plus rapidement, contrairement à la puissance globale. [21]

Extension universelle Modifier

L'expansion de l'univers fait que les galaxies lointaines s'éloignent de nous plus rapidement que la vitesse de la lumière, si la distance et le temps cosmologique appropriés sont utilisés pour calculer les vitesses de ces galaxies. Cependant, en relativité générale, la vitesse est une notion locale, donc la vitesse calculée à l'aide de coordonnées comobiles n'a pas de relation simple avec la vitesse calculée localement. [25] (Voir Comoving et distances appropriées pour une discussion des différentes notions de « vitesse » en cosmologie.) Les règles qui s'appliquent aux vitesses relatives en relativité restreinte, telles que la règle selon laquelle les vitesses relatives ne peuvent pas augmenter au-delà de la vitesse de la lumière, ne s'appliquent aux vitesses relatives dans les coordonnées comobiles, qui sont souvent décrites en termes de "l'expansion de l'espace" entre les galaxies. On pense que ce taux d'expansion a atteint son apogée pendant l'époque d'inflation qui se serait produite dans une infime fraction de seconde après le Big Bang (les modèles suggèrent que la période aurait été d'environ 10 -36 secondes après le Big Bang à environ 10 −33 secondes), alors que l'univers a pu s'étendre rapidement d'un facteur d'environ 10 20 à 10 30 . [26]

Il existe de nombreuses galaxies visibles dans les télescopes avec des nombres de décalage vers le rouge de 1,4 ou plus. Tous ces éléments voyagent actuellement loin de nous à des vitesses supérieures à la vitesse de la lumière. Parce que le paramètre de Hubble diminue avec le temps, il peut en fait y avoir des cas où une galaxie qui s'éloigne de nous plus rapidement que la lumière parvient à émettre un signal qui nous parvient finalement. [27] [28] [29]

Cependant, comme l'expansion de l'univers s'accélère, il est prévu que la plupart des galaxies finiront par traverser un type d'horizon des événements cosmologique où toute lumière qu'elles émettent au-delà de ce point ne pourra jamais nous atteindre à aucun moment dans un futur infini, [ 30] parce que la lumière n'atteint jamais un point où sa "vitesse particulière" vers nous dépasse la vitesse d'expansion loin de nous (ces deux notions de vitesse sont également discutées dans Commoving and proper distances#Uses of the proper distance). La distance actuelle à cet horizon d'événements cosmologique est d'environ 16 milliards d'années-lumière, ce qui signifie qu'un signal d'un événement qui se produit actuellement pourrait éventuellement nous atteindre dans le futur si l'événement était à moins de 16 milliards d'années-lumière, mais le signal ne nous parviendrait jamais si l'événement se trouvait à plus de 16 milliards d'années-lumière. [28]

Observations astronomiques Modifier

Un mouvement supraluminal apparent est observé dans de nombreuses radiogalaxies, blazars, quasars et récemment aussi dans les microquasars. L'effet a été prédit avant d'être observé par Martin Rees [ éclaircissements nécessaires ] et peut être expliquée comme une illusion d'optique causée par le déplacement partiel de l'objet dans la direction de l'observateur, [31] alors que les calculs de vitesse supposent que ce n'est pas le cas. Le phénomène ne contredit pas la théorie de la relativité restreinte. Des calculs corrigés montrent que ces objets ont des vitesses proches de la vitesse de la lumière (par rapport à notre référentiel). Ce sont les premiers exemples de grandes quantités de masse se déplaçant à une vitesse proche de la vitesse de la lumière. [32] Les laboratoires terrestres n'ont pu accélérer qu'un petit nombre de particules élémentaires à de telles vitesses.

Mécanique quantique Modifier

Certains phénomènes de la mécanique quantique, comme l'intrication quantique, pourraient donner l'impression superficielle de permettre une communication d'informations plus rapide que la lumière. Selon le théorème de non-communication, ces phénomènes ne permettent pas une véritable communication, ils permettent seulement à deux observateurs situés à des endroits différents de voir le même système simultanément, sans aucun moyen de contrôler ce que l'un ou l'autre voit. L'effondrement de la fonction d'onde peut être considéré comme un épiphénomène de décohérence quantique, qui à son tour n'est rien de plus qu'un effet de l'évolution temporelle locale sous-jacente de la fonction d'onde d'un système et tout de son environnement. Étant donné que le comportement sous-jacent ne viole pas la causalité locale ou ne permet pas la communication FTL, il s'ensuit que l'effet supplémentaire de la fonction d'onde ne s'effondre pas non plus, qu'il soit réel ou alors apparent.

Le principe d'incertitude implique que les photons individuels peuvent voyager sur de courtes distances à des vitesses un peu plus rapides (ou plus lentes) que c, même dans le vide, cette possibilité doit être prise en compte lors de l'énumération des diagrammes de Feynman pour une interaction de particules. [33] Cependant, il a été démontré en 2011 qu'un seul photon ne peut pas voyager plus vite que c. [34] En mécanique quantique, les particules virtuelles peuvent voyager plus vite que la lumière, et ce phénomène est lié au fait que les effets de champ statique (qui sont médiés par les particules virtuelles en termes quantiques) peuvent voyager plus vite que la lumière (voir la section sur les champs statiques ci-dessus ). Cependant, macroscopiquement, ces fluctuations sont moyennes, de sorte que les photons se déplacent en ligne droite sur de longues distances (c'est-à-dire non quantiques) et qu'ils se déplacent en moyenne à la vitesse de la lumière. Par conséquent, cela n'implique pas la possibilité d'une transmission d'informations supraluminique.

Il y a eu divers rapports dans la presse populaire d'expériences sur la transmission plus rapide que la lumière en optique - le plus souvent dans le contexte d'une sorte de phénomène d'effet tunnel quantique. Usually, such reports deal with a phase velocity or group velocity faster than the vacuum velocity of light. [35] [36] However, as stated above, a superluminal phase velocity cannot be used for faster-than-light transmission of information. [37] [38]

Hartman effect Edit

The Hartman effect is the tunneling effect through a barrier where the tunneling time tends to a constant for large barriers. [39] [40] This could, for instance, be the gap between two prisms. When the prisms are in contact, the light passes straight through, but when there is a gap, the light is refracted. There is a non-zero probability that the photon will tunnel across the gap rather than follow the refracted path. For large gaps between the prisms the tunnelling time approaches a constant and thus the photons appear to have crossed with a superluminal speed. [41]

However, the Hartman effect cannot actually be used to violate relativity by transmitting signals faster than c, because the tunnelling time "should not be linked to a velocity since evanescent waves do not propagate". [42] The evanescent waves in the Hartman effect are due to virtual particles and a non-propagating static field, as mentioned in the sections above for gravity and electromagnetism.

Casimir effect Edit

In physics, the Casimir–Polder force is a physical force exerted between separate objects due to resonance of vacuum energy in the intervening space between the objects. This is sometimes described in terms of virtual particles interacting with the objects, owing to the mathematical form of one possible way of calculating the strength of the effect. Because the strength of the force falls off rapidly with distance, it is only measurable when the distance between the objects is extremely small. Because the effect is due to virtual particles mediating a static field effect, it is subject to the comments about static fields discussed above.

EPR paradox Edit

The EPR paradox refers to a famous thought experiment of Albert Einstein, Boris Podolsky and Nathan Rosen that was realized experimentally for the first time by Alain Aspect in 1981 and 1982 in the Aspect experiment. In this experiment, the measurement of the state of one of the quantum systems of an entangled pair apparently instantaneously forces the other system (which may be distant) to be measured in the complementary state. However, no information can be transmitted this way the answer to whether or not the measurement actually affects the other quantum system comes down to which interpretation of quantum mechanics one subscribes to.

An experiment performed in 1997 by Nicolas Gisin has demonstrated non-local quantum correlations between particles separated by over 10 kilometers. [43] But as noted earlier, the non-local correlations seen in entanglement cannot actually be used to transmit classical information faster than light, so that relativistic causality is preserved. The situation is akin to sharing a synchronized coin flip, where the second person to flip their coin will always see the opposite of what the first person sees, but neither has any way of knowing whether they were the first or second flipper, without communicating classically. See No-communication theorem for further information. A 2008 quantum physics experiment also performed by Nicolas Gisin and his colleagues has determined that in any hypothetical non-local hidden-variable theory, the speed of the quantum non-local connection (what Einstein called "spooky action at a distance") is at least 10,000 times the speed of light. [44]

Delayed choice quantum eraser Edit

The delayed-choice quantum eraser is a version of the EPR paradox in which the observation (or not) of interference after the passage of a photon through a double slit experiment depends on the conditions of observation of a second photon entangled with the first. The characteristic of this experiment is that the observation of the second photon can take place at a later time than the observation of the first photon, [45] which may give the impression that the measurement of the later photons "retroactively" determines whether the earlier photons show interference or not, although the interference pattern can only be seen by correlating the measurements of both members of every pair and so it can't be observed until both photons have been measured, ensuring that an experimenter watching only the photons going through the slit does not obtain information about the other photons in an FTL or backwards-in-time manner. [46] [47]

Faster-than-light communication is, according to relativity, equivalent to time travel. What we measure as the speed of light in vacuum (or near vacuum) is actually the fundamental physical constant c. This means that all inertial and, for the coordinate speed of light, non-inertial observers, regardless of their relative velocity, will always measure zero-mass particles such as photons traveling at c in vacuum. This result means that measurements of time and velocity in different frames are no longer related simply by constant shifts, but are instead related by Poincaré transformations. These transformations have important implications:

  • The relativistic momentum of a massive particle would increase with speed in such a way that at the speed of light an object would have infinite momentum.
  • To accelerate an object of non-zero rest mass to c would require infinite time with any finite acceleration, or infinite acceleration for a finite amount of time.
  • Either way, such acceleration requires infinite energy.
  • Some observers with sub-light relative motion will disagree about which occurs first of any two events that are separated by a space-like interval. [48] In other words, any travel that is faster-than-light will be seen as traveling backwards in time in some other, equally valid, frames of reference, [49] or need to assume the speculative hypothesis of possible Lorentz violations at a presently unobserved scale (for instance the Planck scale). [citation requise] Therefore, any theory which permits "true" FTL also has to cope with time travel and all its associated paradoxes, [50] or else to assume the Lorentz invariance to be a symmetry of thermodynamical statistical nature (hence a symmetry broken at some presently unobserved scale).
  • In special relativity the coordinate speed of light is only guaranteed to be c in an inertial frame in a non-inertial frame the coordinate speed may be different from c. [51] In general relativity no coordinate system on a large region of curved spacetime is "inertial", so it is permissible to use a global coordinate system where objects travel faster than c, but in the local neighborhood of any point in curved spacetime we can define a "local inertial frame" and the local speed of light will be c in this frame, [52] with massive objects moving through this local neighborhood always having a speed less than c in the local inertial frame.

Casimir vacuum and quantum tunnelling Edit

Special relativity postulates that the speed of light in vacuum is invariant in inertial frames. That is, it will be the same from any frame of reference moving at a constant speed. The equations do not specify any particular value for the speed of light, which is an experimentally determined quantity for a fixed unit of length. Since 1983, the SI unit of length (the meter) has been defined using the speed of light.

The experimental determination has been made in vacuum. However, the vacuum we know is not the only possible vacuum which can exist. The vacuum has energy associated with it, called simply the vacuum energy, which could perhaps be altered in certain cases. [53] When vacuum energy is lowered, light itself has been predicted to go faster than the standard value c. This is known as the Scharnhorst effect. Such a vacuum can be produced by bringing two perfectly smooth metal plates together at near atomic diameter spacing. It is called a Casimir vacuum. Calculations imply that light will go faster in such a vacuum by a minuscule amount: a photon traveling between two plates that are 1 micrometer apart would increase the photon's speed by only about one part in 10 36 . [54] Accordingly, there has as yet been no experimental verification of the prediction. A recent analysis [55] argued that the Scharnhorst effect cannot be used to send information backwards in time with a single set of plates since the plates' rest frame would define a "preferred frame" for FTL signalling. However, with multiple pairs of plates in motion relative to one another the authors noted that they had no arguments that could "guarantee the total absence of causality violations", and invoked Hawking's speculative chronology protection conjecture which suggests that feedback loops of virtual particles would create "uncontrollable singularities in the renormalized quantum stress-energy" on the boundary of any potential time machine, and thus would require a theory of quantum gravity to fully analyze. Other authors argue that Scharnhorst's original analysis, which seemed to show the possibility of faster-than-c signals, involved approximations which may be incorrect, so that it is not clear whether this effect could actually increase signal speed at all. [56]

The physicists Günter Nimtz and Alfons Stahlhofen, of the University of Cologne, claim to have violated relativity experimentally by transmitting photons faster than the speed of light. [41] They say they have conducted an experiment in which microwave photons — relatively low-energy packets of light — travelled "instantaneously" between a pair of prisms that had been moved up to 3 ft (1 m) apart. Their experiment involved an optical phenomenon known as "evanescent modes", and they claim that since evanescent modes have an imaginary wave number, they represent a "mathematical analogy" to quantum tunnelling. [41] Nimtz has also claimed that "evanescent modes are not fully describable by the Maxwell equations and quantum mechanics have to be taken into consideration." [57] Other scientists such as Herbert G. Winful and Robert Helling have argued that in fact there is nothing quantum-mechanical about Nimtz's experiments, and that the results can be fully predicted by the equations of classical electromagnetism (Maxwell's equations). [58] [59]

Nimtz told New Scientist magazine: "For the time being, this is the only violation of special relativity that I know of." However, other physicists say that this phenomenon does not allow information to be transmitted faster than light. Aephraim Steinberg, a quantum optics expert at the University of Toronto, Canada, uses the analogy of a train traveling from Chicago to New York, but dropping off train cars from the tail at each station along the way, so that the center of the ever-shrinking main train moves forward at each stop in this way, the speed of the center of the train exceeds the speed of any of the individual cars. [60]

Winful argues that the train analogy is a variant of the "reshaping argument" for superluminal tunneling velocities, but he goes on to say that this argument is not actually supported by experiment or simulations, which actually show that the transmitted pulse has the same length and shape as the incident pulse. [58] Instead, Winful argues that the group delay in tunneling is not actually the transit time for the pulse (whose spatial length must be greater than the barrier length in order for its spectrum to be narrow enough to allow tunneling), but is instead the lifetime of the energy stored in a standing wave which forms inside the barrier. Since the stored energy in the barrier is less than the energy stored in a barrier-free region of the same length due to destructive interference, the group delay for the energy to escape the barrier region is shorter than it would be in free space, which according to Winful is the explanation for apparently superluminal tunneling. [61] [62]

A number of authors have published papers disputing Nimtz's claim that Einstein causality is violated by his experiments, and there are many other papers in the literature discussing why quantum tunneling is not thought to violate causality. [63]

It was later claimed by Eckle et al. that particle tunneling does indeed occur in zero real time. [64] Their tests involved tunneling electrons, where the group argued a relativistic prediction for tunneling time should be 500–600 attoseconds (an attosecond is one quintillionth (10 −18 ) of a second). All that could be measured was 24 attoseconds, which is the limit of the test accuracy. Again, though, other physicists believe that tunneling experiments in which particles appear to spend anomalously short times inside the barrier are in fact fully compatible with relativity, although there is disagreement about whether the explanation involves reshaping of the wave packet or other effects. [61] [62] [65]

Give up (absolute) relativity Edit

Because of the strong empirical support for special relativity, any modifications to it must necessarily be quite subtle and difficult to measure. The best-known attempt is doubly special relativity, which posits that the Planck length is also the same in all reference frames, and is associated with the work of Giovanni Amelino-Camelia and João Magueijo. [66] [67] There are speculative theories that claim inertia is produced by the combined mass of the universe (e.g., Mach's principle), which implies that the rest frame of the universe might be preferred by conventional measurements of natural law. If confirmed, this would imply special relativity is an approximation to a more general theory, but since the relevant comparison would (by definition) be outside the observable universe, it is difficult to imagine (much less construct) experiments to test this hypothesis. Despite this difficulty, such experiments have been proposed. [68]

Spacetime distortion Edit

Although the theory of special relativity forbids objects to have a relative velocity greater than light speed, and general relativity reduces to special relativity in a local sense (in small regions of spacetime where curvature is negligible), general relativity does allow the space between distant objects to expand in such a way that they have a "recession velocity" which exceeds the speed of light, and it is thought that galaxies which are at a distance of more than about 14 billion light-years from us today have a recession velocity which is faster than light. [69] Miguel Alcubierre theorized that it would be possible to create a warp drive, in which a ship would be enclosed in a "warp bubble" where the space at the front of the bubble is rapidly contracting and the space at the back is rapidly expanding, with the result that the bubble can reach a distant destination much faster than a light beam moving outside the bubble, but without objects inside the bubble locally traveling faster than light. [70] However, several objections raised against the Alcubierre drive appear to rule out the possibility of actually using it in any practical fashion. Another possibility predicted by general relativity is the traversable wormhole, which could create a shortcut between arbitrarily distant points in space. As with the Alcubierre drive, travelers moving through the wormhole would not locally move faster than light travelling through the wormhole alongside them, but they would be able to reach their destination (and return to their starting location) faster than light traveling outside the wormhole.

Gerald Cleaver and Richard Obousy, a professor and student of Baylor University, theorized that manipulating the extra spatial dimensions of string theory around a spaceship with an extremely large amount of energy would create a "bubble" that could cause the ship to travel faster than the speed of light. To create this bubble, the physicists believe manipulating the 10th spatial dimension would alter the dark energy in three large spatial dimensions: height, width and length. Cleaver said positive dark energy is currently responsible for speeding up the expansion rate of our universe as time moves on. [71]

Lorentz symmetry violation Edit

The possibility that Lorentz symmetry may be violated has been seriously considered in the last two decades, particularly after the development of a realistic effective field theory that describes this possible violation, the so-called Standard-Model Extension. [72] [73] [74] This general framework has allowed experimental searches by ultra-high energy cosmic-ray experiments [75] and a wide variety of experiments in gravity, electrons, protons, neutrons, neutrinos, mesons, and photons. [76] The breaking of rotation and boost invariance causes direction dependence in the theory as well as unconventional energy dependence that introduces novel effects, including Lorentz-violating neutrino oscillations and modifications to the dispersion relations of different particle species, which naturally could make particles move faster than light.

In some models of broken Lorentz symmetry, it is postulated that the symmetry is still built into the most fundamental laws of physics, but that spontaneous symmetry breaking of Lorentz invariance [77] shortly after the Big Bang could have left a "relic field" throughout the universe which causes particles to behave differently depending on their velocity relative to the field [78] however, there are also some models where Lorentz symmetry is broken in a more fundamental way. If Lorentz symmetry can cease to be a fundamental symmetry at the Planck scale or at some other fundamental scale, it is conceivable that particles with a critical speed different from the speed of light be the ultimate constituents of matter.

In current models of Lorentz symmetry violation, the phenomenological parameters are expected to be energy-dependent. Therefore, as widely recognized, [79] [80] existing low-energy bounds cannot be applied to high-energy phenomena however, many searches for Lorentz violation at high energies have been carried out using the Standard-Model Extension. [76] Lorentz symmetry violation is expected to become stronger as one gets closer to the fundamental scale.

Superfluid theories of physical vacuum Edit

In this approach the physical vacuum is viewed as a quantum superfluid which is essentially non-relativistic whereas Lorentz symmetry is not an exact symmetry of nature but rather the approximate description valid only for the small fluctuations of the superfluid background. [81] Within the framework of the approach a theory was proposed in which the physical vacuum is conjectured to be a quantum Bose liquid whose ground-state wavefunction is described by the logarithmic Schrödinger equation. It was shown that the relativistic gravitational interaction arises as the small-amplitude collective excitation mode [82] whereas relativistic elementary particles can be described by the particle-like modes in the limit of low momenta. [83] The important fact is that at very high velocities the behavior of the particle-like modes becomes distinct from the relativistic one - they can reach the speed of light limit at finite energy also, faster-than-light propagation is possible without requiring moving objects to have imaginary mass. [84] [85]

MINOS experiment Edit

In 2007 the MINOS collaboration reported results measuring the flight-time of 3 GeV neutrinos yielding a speed exceeding that of light by 1.8-sigma significance. [86] However, those measurements were considered to be statistically consistent with neutrinos traveling at the speed of light. [87] After the detectors for the project were upgraded in 2012, MINOS corrected their initial result and found agreement with the speed of light. Further measurements are going to be conducted. [88]

OPERA neutrino anomaly Edit

On September 22, 2011, a preprint [89] from the OPERA Collaboration indicated detection of 17 and 28 GeV muon neutrinos, sent 730 kilometers (454 miles) from CERN near Geneva, Switzerland to the Gran Sasso National Laboratory in Italy, traveling faster than light by a relative amount of 2.48 × 10 −5 (approximately 1 in 40,000), a statistic with 6.0-sigma significance. [90] On 17 November 2011, a second follow-up experiment by OPERA scientists confirmed their initial results. [91] [92] However, scientists were skeptical about the results of these experiments, the significance of which was disputed. [93] In March 2012, the ICARUS collaboration failed to reproduce the OPERA results with their equipment, detecting neutrino travel time from CERN to the Gran Sasso National Laboratory indistinguishable from the speed of light. [94] Later the OPERA team reported two flaws in their equipment set-up that had caused errors far outside their original confidence interval: a fiber optic cable attached improperly, which caused the apparently faster-than-light measurements, and a clock oscillator ticking too fast. [95]

In special relativity, it is impossible to accelerate an object to the speed of light, or for a massive object to move at the speed of light. However, it might be possible for an object to exist which toujours moves faster than light. The hypothetical elementary particles with this property are called tachyons or tachyonic particles. Attempts to quantize them failed to produce faster-than-light particles, and instead illustrated that their presence leads to an instability. [96] [97]

Various theorists have suggested that the neutrino might have a tachyonic nature, [98] [99] [100] [101] while others have disputed the possibility. [102]

General relativity was developed after special relativity to include concepts like gravity. It maintains the principle that no object can accelerate to the speed of light in the reference frame of any coincident observer. [ citation requise ] However, it permits distortions in spacetime that allow an object to move faster than light from the point of view of a distant observer. [ citation requise ] One such distortion is the Alcubierre drive, which can be thought of as producing a ripple in spacetime that carries an object along with it. Another possible system is the wormhole, which connects two distant locations as though by a shortcut. Both distortions would need to create a very strong curvature in a highly localized region of space-time and their gravity fields would be immense. To counteract the unstable nature, and prevent the distortions from collapsing under their own 'weight', one would need to introduce hypothetical exotic matter or negative energy.

General relativity also recognizes that any means of faster-than-light travel could also be used for time travel. This raises problems with causality. Many physicists believe that the above phenomena are impossible and that future theories of gravity will prohibit them. One theory states that stable wormholes are possible, but that any attempt to use a network of wormholes to violate causality would result in their decay. [ citation requise ] In string theory, Eric G. Gimon and Petr Hořava have argued [103] that in a supersymmetric five-dimensional Gödel universe, quantum corrections to general relativity effectively cut off regions of spacetime with causality-violating closed timelike curves. In particular, in the quantum theory a smeared supertube is present that cuts the spacetime in such a way that, although in the full spacetime a closed timelike curve passed through every point, no complete curves exist on the interior region bounded by the tube.


Warp Drive Technology

Many science fiction fans, especially "Star Trek" fans, are well aware of warp drive technology. But it is nowhere near what we are technologically able to do today. However, recently a team of engineers proposed what could be a first proposal for a physical warp drive, breaking the laws of physics.

In theory, warp drives are supposed to morph, bend, and change the shape of the space-time continuum in order to exaggerate differences in distance and time, under the right conditions, this should allow space travelers to travel past the speed of light and move across distances in an instant.

More than a century ago a Mexican theoretical physicist proposed a spacecraft that would be powered by an Alcubierre drive in order to achieve faster than light travel. However, the design required an abundant amount of negative energy in one place that wasn't possible according to physics.

In the study published in the journal Classical and Quantum Gravity, entitled "Introducing physical warp drives" engineers looked into the plausibility of several other classes of warp drives. But the model has its own set of limitations.

For a warp drive to be able to generate enough negative energy, it needs a huge amount of matter. According to the Alcubierre estimations, a warp drive travelling 100-meters would require the mass of the entire visible universe to work.


Introducing Warp Drive Or Faster-Than-Light Space Travel

If we ever want to explore space or even travel seamlessly between stars, then we certainly need much faster transport, something that moves even faster than light. But so far, this has only been possible in sci-fi stories. But isn't fiction based on certain ounces of reality?

Star Trek fans know that characters here use warp drive technology to speed across galaxies and stars. But warp drive is still possible only on paper and practical enactments have been restricted to fiction only. However, back in March, researchers claimed to have overcome some of the major challenges in the theory of warp drives bringing it closer to reality.


When space expanded faster-than-light

Artist’s illustration of cosmic inflation via scienceblogs.com

From its orbit 930,000 miles (1.5 million km) above Earth, the Planck satellite spent more than four years detecting the cosmic microwave background – a fossil from the Big Bang that fills every part of the sky and offers a glimpse of what the universe looked like in its infancy. Planck’s observations of this relic radiation shed light on everything from the evolution of the universe to the nature of dark matter. In early February 2015, Planck released new maps of the cosmic microwave background supporting the theory of cosmic inflation, the idea that, in the moments following the Big Bang, space expanded faster than the speed of light, growing from smaller than a proton to an enormity that defies comprehension. Kelen Tuttle of the Kavli Foundation recently spoke with Dr. George Efstathiou, director of the Kavli Institute for Cosmology at the University of Cambridge and one of the leaders of the Planck mission, to understand Planck’s latest results and their implications for the theory of inflation. You’ll find an edited transcript of that interview below.

In addition, Kavli will offer a live webcast on February 18, 2015 with Efstathiou and two other prominent scientists on the subject of cosmic inflation. Love cosmology? Submit a question for the upcoming webcast at [email protected] or on Twitter use the hashtag #KavliLive.

George Efstathiou

THE KAVLI FOUNDATION: In 2013 and now this year, Planck provided very strong experimental evidence supporting the theory that the universe went through a mindbogglingly rapid expansion in its very first moments. Can you elaborate on the latest findings and why they’re important?

GEORGE EFSTATHIOU: Inflation – the theory that the early universe expanded incredibly rapidly in its first moments – makes a number of generic predictions. For example, the geometry of the universe should be very close to flat, and this should be reflected in fluctuations we see in the cosmic microwave background light. With the first Planck data, which we released in 2013, we verified some aspects of this model to pretty high precision by looking at the temperature of the cosmic microwave background across the sky. With the 2015 release, we improved the precision of those temperature measurements and also added accurate measurements of a twisting pattern in the cosmic microwave background called polarization. These polarization measurements are really important in telling us what the fabric of space was like in the early universe.

You see, there are several possibilities. For example, in some models motivated by higher-dimensional theories such as string theory, “cosmic strings” can be produced in the early universe, and these would generate a different type of fluctuation pattern. We see no evidence for cosmic strings or other types of cosmic defect. What we found is that everything is consistent – with a very high precision – with simple inflationary models. So, for example, we now can say that the universe is spatially flat to a precision of about half a percent. That’s a substantial improvement over what we knew before Planck.

The European Space Agency’s Planck space telescope was launched in 2009. During its four-year mission, it observed variations in the cosmic microwave background across the entire sky. The first all-sky map was released in March 2013 and the second, more detailed, map was released in February 2015. The mission’s successes include determining that the universe is slightly older than thought mapping the early universe’s subtle fluctuations in temperature and polarization, which eventually gave rise to the structure we see today and confirming that 26 percent of the universe comprises dark matter. Image via ESA

TKF: You’ve called the theory of cosmic inflation a cartoon of a theory. What did you mean by that?

EFSTATHIOU: We don’t yet understand the fundamental physics that drove inflation, and we certainly don’t understand the details of how it worked. The simplest model of inflation requires that the early universe contained what’s called a scalar field. This field permeates all of space and is responsible for causing space to expand faster than the speed of light. And, as with all quantum fields, it contains quantum fluctuations. It’s those tiny quantum fluctuations that, once they were stretched in size during inflation, generated the structure that we see across the Universe today – all of the galaxies and stars and planets. That’s a simple model of inflation.
Now, what is that field exactly? We don’t know. There are many theories out there, but really they’re all just guesses. That’s why I called it a cartoon of a theory – because we don’t understand how inflation works in any fundamental sense. What we need is better experimental data that tells us what the early universe looked like and hopefully this will point us toward a fundamental theory of inflation.

TKF: Does that mean the next steps are experimental as opposed to theoretical?

EFSTATHIOU: That is a very interesting question. In my mind, real progress will require experiments, because the very early universe involves energy scales so much higher than anything we’ve been able to test in laboratory experiments here on Earth. When you make such a very big leap, you don’t really know what things look like. That leaves open lots and lots of possibilities. For example, the extra dimensions predicted by string theory are hidden from us – so we don’t experience them. They must be very small and “compactified” in some way – but how, we don’t know. So from the theory point of view, there are just too many options right now. Also, in cosmology, we’re talking about highly dynamic situations. Everything is changing very rapidly and that’s also difficult to analyze theoretically. There’s always the possibility that some tremendous new theoretical insight will narrow down the options.

But I think that we need to do experiments – if we can – that narrow down the options experimentally. If we detected gravitational waves, which are ripples in the curvature of space-time, that measurement would narrow down the options a lot. It would tell us the energy scale of inflation. What’s more, any detectable level of gravitational waves would establish an empirical link with quantum gravity. Quantum gravity, which would align the force of gravity with the principles of quantum mechanics, is a very important experimental target, one that is possible to reach with high precision experiments. I think that would be the most likely experimental development that could actually make contact with physics at the very high energy scales of the early universe.

This map, captured by ESA’s Planck space telescope, reveals the Milky Way galaxy. Gas appears in yellow, radiation in blue and green, and several types of dust are shown in red. Image via ESA/NASA/JPL-Caltech

TKF: One of the most publicized new revelations from Planck is evidence the first stars in the universe started to shine about 550 million years after the Big Bang – which means they are younger by about 100 million years than previously thought. How could we have gotten this so wrong?

EFSTATHIOU: You know, I’m not so keen on claiming this as a great scientific achievement by Planck – but it is interesting. To explain why, I need to give you a little background. At the end of inflation, we know that the universe became very, very hot. Since then, as the universe expanded, it cooled down. And when the universe was 400,000 years old, the temperature was low enough that electrons and protons could combine to form neutral hydrogen. So at that time, the universe was neutral and pretty uniform.

We can see quasars – very bright compact regions at the centers of distant galaxies – that existed back when the universe was about 840 million years old. That’s really very young compared to its 13.8 billion years today. Back then, if the universe had been filled with neutral hydrogen, that hydrogen would have absorbed quasar light at short wavelengths and we wouldn’t be able to see it in our measurements today. So because we can see this light from these quasars, we know that when the universe was 840 million years old, it was no longer neutral. Sometime between the Universe being 400,000 years old and 840 million years old, energy must have been injected into the gas to change this. So the question is, where did that energy come from?

Well, it must be that stars formed and started to release energy. Now, looking at the deepest images from the Hubble Space Telescope, we can see some of these very early stars. But from the stars we see, it wouldn’t be possible to release enough energy to ionize the hydrogen by the time the universe was 420 million years old – as was suggested by previous measurements of the cosmic microwave background made with the Wilkinson Microwave Anisotrophy Probe – or WMAP – satellite. Now, with the Planck measurements, we’re saying that it happened a bit later, at 560 million years. That difference of about 140 million years may not sound like a lot, but it now brings all of our observations into alignment.

This is a very, very difficult measurement to make – it’s a very small signal hidden behind a lot of contamination from our own Milky Way. You have to dig out the real signal from all this noise. With Planck, we were for the first time able to make this measurement using the Planck data in two different ways. Why I’m not so keen on it as a real highlight from Planck is that there’s absolutely nothing wrong with the previous measurements. The WMAP observations are perfectly fine, but if you take their maps, and correct for contamination by the Milky Way, then you get the same answers as the Planck results. So everything is consistent in the end.

The Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization 2 (BICEP2) experiment, shown here in the foreground, studies the cosmic microwave background from the South Pole, where cold, dry air allows for clear observations of the sky. In March 2014, the BICEP2 team announced that they had seen evidence of gravitational waves, offering what seemed to be “smoking gun” evidence of inflation. Although a Planck-BICEP2 joint analysis has since shown that dust in the Milky Way had mimicked the signal expected from gravitational waves, future experiments may yet discover these long-sought waves. The project was funded by $2.3 million from W. M. Keck Foundation, as well as funding from the National Science Foundation, the Gordon and Betty Moore Foundation, the James and Nelly Kilroy Foundation and the Barzan Foundation.
Image via Steffen Richter, Harvard University

TKF: The Planck results are also helping us understand dark matter, the mysterious substance that makes up 20 percent of the universe yet has yet to be well understood. What exactly have we learned about dark matter from Planck?

EFSTATHIOU: What do we know? Really, we’re still a long way from understanding dark matter. The leading candidate is a type of particle predicted by supersymmetry. That theory predicts a partner particle for each particle that we already know. But if that theory is true, supersymmetric particles should appear in collisions at the Large Hadron Collider. So far, they haven’t. So dark matter is still unknown.

Planck has detected no signal of dark matter. Supersymmetry predicts that dark matter particles should occasionally interact with other dark matter particles and produce a flash of energy – a process called annihilation. But we don’t see it. That’s really not all that surprising. It’s easy to hide. So that’s something that future cosmic microwave background experiments might be able to see. But we haven’t seen any signs of annihilating dark matter from Planck.

We have looked also very carefully at neutrinos – tiny, ubiquitous particles we know come in three types. As far as well can tell, there are no other types of neutrinos that could help account for some of the dark matter. People are also still trying to determine the mass of these three neutrinos. We know from other experiments the least mass that these three particles could have. Planck has now set a limit on the most mass that they could possibly have. We’re narrowing down the options, and will hopefully soon learn their exact mass. Neutrinos are some of the most mysterious particles in the universe, so this would be an important step toward understanding them.
Some theorists have also suggested that dark matter and dark energy could interact in some way. As far as we can tell, dark energy is completely constant – so there’s no evidence that it interacts with dark matter.

TKF: We would be remiss if we didn’t talk a bit more about gravitational waves. Last March, another experimental team called BICEP2 announced that they had seen evidence of gravitational waves in their observations of the very early universe. Then, just a few weeks ago, joint analysis of that data carried out by members of both Planck and BICEP2 revealed that unidentified gas and dust had contaminated the data, and that gravitational waves remain undiscovered. What does this mean for future hopes of discovering gravitational waves?

EFSTATHIOU: When the BICEP2 team announced their result, I was really shocked. The signal they detected was really big. We had already done an analysis based on the Planck 2013 data, and we had set a limit on how big the signal could be. And BICEP2’s measurements were about twice as big as that. So if BICEP2 really had detected gravitational waves, there would need to be some really strange and unexpected physics at work for us to get such different results.

The BICEP2 group knows what it’s doing – these guys are as good as any group in the world. And they’ve been working on various versions of this experiment for 7 or 8 years. So from the experimental side, the data is beautiful. They clearly detected something.

That something could have been gravitational waves, or it could have been intervening dust that confused their data. The BICEP2 experiment looks at a very small field of view, and Planck’s signal to noise is not very big. So we arranged to collaborate. Essentially, we improved the signal to noise on dust by cross-correlating their maps with ours. That showed that, as of yet, we still have no statistically significant evidence of gravitational waves. That resolves the conflict with the original Planck results. And, in the big picture, that’s a good thing. No really strange physics is needed to reconcile the two experiments.
So now we’re in a situation where we have a limit on the size of a gravitational wave signal, and that number is consistent with the Planck results. It doesn’t rule out gravitational waves by any means. If you look at the joint analysis, you see that there’s plenty of room for gravitational waves to be lurking there, just below the level we’ve set by combining the BICEP2 and Planck data. If that’s true, it shouldn’t take a very long time to dig it out. So there could be a very important development coming.


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