Können Informationen schneller als Licht reisen?

Einer der Grundsätze von Einsteins spezieller Relativitätstheorie besagt , dass sich im Vakuum nichts schneller als mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegen kann. Lichtgeschwindigkeit gilt als universelle Geschwindigkeitsbegrenzung für alles, und dies wird von der wissenschaftlichen Gemeinschaft weitgehend akzeptiert. Aber in der Wissenschaft, wenn Sie eine feste Regel aufstellen, wird jemand versuchen, sie zu widerlegen oder zumindest eine Lücke zu finden. Und die Lichtgeschwindigkeit ist da keine Ausnahme.

Hell, im Vakuum, bewegt sich mit ungefähr 299.792 Kilometern pro Sekunde (186.282 Meilen pro Sekunde). Im September 2011 sorgten Physiker, die am Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus (OPERA) arbeiteten, für Aufregung in der wissenschaftlichen Gemeinschaft, als sie bekannt gaben, dass ihre Experimente zu subatomaren Teilchen namens Neutrinos führten, die von der Europäischen Organisation für Kernforschung (CERN) in der Nähe von Genf reisen , Schweiz, zum Gran Sasso National Laboratory in der Nähe von L'Aquila, Italien, und kommt etwa 60 Nanosekunden früher an als ein Lichtstrahl. Es gab viele Ideen, wie diese Neutrinos tatsächlich die Lichtgeschwindigkeit gebrochen haben könnten oder welche Fehler die unmöglichen Ergebnisse verursacht haben könnten. Schließlich wurden Ausrüstungsprobleme, einschließlich eines losen Kabels, als wahrscheinliche Schuldige entdeckt, und die Ergebnisse wurden für falsch erklärt.

Andere Forscher versuchen, die Regeln zu beugen, anstatt sie zu brechen. Tatsächlich ist die Krümmung der Raumzeit eine Theorie darüber, wie superluminale – schneller als Licht – Geschwindigkeiten in der Raumfahrt erreicht werden könnten. Die Idee ist, dass die Raumzeit vor einem Raumschiff zusammengezogen und hinter ihm ausgedehnt werden könnte, während das Schiff in einer Warp-Blase stationär bleiben würde, die sich selbst schneller als mit Lichtgeschwindigkeit bewegt. Dieses Konzept wurde ursprünglich 1994 vom mexikanischen theoretischen Physiker Miguel Alcubierre als theoretische Möglichkeit modelliert, die jedoch eine universumsgroße Menge an negativer Energie erfordern würde, um das Phänomen anzutreiben. Es wurde später verfeinert, um eine planetengroße Menge und dann wieder eine Menge in der Größenordnung der Raumsonde Voyager 1 zu benötigen. Leider, Die negative Energie müsste aus exotischer Materie stammen, die schwer zu bekommen ist, und wir befinden uns derzeit nur auf der Ebene von Miniaturlaborexperimenten mit Warpantrieben. Die Mathematik hinter diesen Theorien basiert auf den Gesetzen der Relativität, also würde es theoretisch nicht gegen die Regeln verstoßen. Die Technologie, falls sie jemals existiert, könnte auch dazu verwendet werden, langsamer als das Licht zu fahren, aber viel schneller als wir jetzt fahren können, was praktischer sein könnte.

Die Raumfahrt ist nur eine der möglichen Anwendungen, um die Lichtgeschwindigkeit zu erreichen oder zu überschreiten. Einige Wissenschaftler arbeiten daran, das Gleiche zu tun, um die Datenübertragung zu beschleunigen. Lesen Sie weiter, um mehr über aktuelle Datengeschwindigkeiten und das Potenzial für überlichtschnelle Informationen zu erfahren.

Derzeit werden die meisten unserer Daten entweder über Kupferdraht oder Glasfaserkabel übertragen. Auch wenn wir Daten über unsere Handys über Funkwellen versenden, die sich ebenfalls mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten, durchqueren sie irgendwann die kabelgebundenen Netze des Internets. Die beiden gebräuchlichsten Arten von Kupferkabeln für die Fernübertragung von Informationen sind Twisted-Pair-Kabel (zuerst für Telefonie und später für DFÜ-Internet und DSL verwendet) und Koaxialkabel (zunächst für Kabelfernsehen, dann für Internet und Telefon). Koaxialkabel ist das schnellere der beiden. Aber noch schneller ist Glasfaserkabel. Anstatt Kupfer zu verwenden, um Daten in Form von elektrischen Signalen zu leiten, übertragen Glasfaserkabel Daten als Lichtimpulse.

Wichtig ist der Hinweis „im luftleeren Raum“ auf der vorigen Seite zur Lichtgeschwindigkeit. Licht durch Glasfaser ist nicht so schnell wie Licht durch ein Vakuum. Licht bewegt sich durch fast jedes Medium langsamer als die universelle Konstante, die wir als Lichtgeschwindigkeit kennen. Durch Luft ist der Unterschied vernachlässigbar, aber Licht kann durch andere Medien, einschließlich Glas, das den Kern der meisten Glasfaserkabel ausmacht, erheblich verlangsamt werden. Der Brechungsindex eines Mediums ist die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum dividiert durch die Lichtgeschwindigkeit im Medium. Wenn Sie also zwei dieser Zahlen kennen, können Sie die andere berechnen. Der Brechungsindex von Glas liegt bei etwa 1,5. Wenn Sie die Lichtgeschwindigkeit (ungefähr 300.000 Kilometer oder 186.411 Meilen pro Sekunde) durch diese teilen, erhalten Sie ungefähr 200.000 Kilometer (124.274 Meilen) pro Sekunde, das ist die ungefähre Lichtgeschwindigkeit durch Glas. Einige Glasfaserkabel bestehen aus Kunststoff, der einen noch höheren Brechungsindex und daher eine geringere Geschwindigkeit hat.

Ein Grund für die Abnahme der Geschwindigkeit ist zum Teil die duale Natur des Lichts. Es hat sowohl die Eigenschaften eines Teilchens als auch einer Welle. Licht besteht eigentlich aus Teilchen, die Photonen genannt werden , und sie bewegen sich nicht in einer geraden Linie durch die Verkabelung. Wenn die Photonen auf Materialmoleküle treffen, prallen sie in verschiedene Richtungen ab. Lichtbrechung und -absorption durch das Medium führen schließlich zu einem gewissen Energie- und Datenverlust. Aus diesem Grund kann ein Signal nicht unbegrenzt reisen und muss regelmäßig verstärkt werden, um große Entfernungen zu überbrücken. Die Verlangsamung des Lichts ist jedoch nicht nur eine schlechte Nachricht. Einige Verunreinigungen werden Glasfasern hinzugefügt, um die Geschwindigkeit zu steuern und das Signal effektiv zu kanalisieren.

Glasfaserkabel sind immer noch viel schneller als Kupferkabel und nicht so anfällig für elektromagnetische Störungen. Glasfaser kann Geschwindigkeiten von Hunderten von Gigabit pro Sekunde oder sogar Terabit erreichen. Heiminternetverbindungen erreichen diese superhohen Geschwindigkeiten nicht, zumindest teilweise, weil die Verkabelung von vielen Haushalten über ganze Gebiete geteilt wird, und selbst Netzwerke, die Glasfaser verwenden, haben im Allgemeinen Kupfer, das auf der letzten Strecke bis zu den Häusern der Menschen verläuft. Aber mit Glasfaser bis in Ihre Nachbarschaft oder nach Hause können Sie Datenübertragungen im Bereich von 50 bis 100 Megabit pro Sekunde erreichen, verglichen mit 1 bis 6 Megabit pro Sekunde bei durchschnittlichen DSL-Leitungen und etwa 25 Megabit pro Sekunde vom Kabel. Die tatsächlichen Datengeschwindigkeiten variieren natürlich stark je nach Standort, Anbieter und gewähltem Tarif.

Es gibt auch andere Dinge, die eine Signallatenz (Verzögerung) verursachen, wie z. B. die Hin- und Herkommunikation, die erforderlich ist, wenn Sie auf eine Webseite zugreifen oder Daten herunterladen (Handshaking). Ihr Computer und der Server, auf dem sich die Daten befinden, kommunizieren miteinander, um sicherzustellen, dass sie synchronisiert sind und die Datenübertragung erfolgreich ist, was zu einer Verzögerung führt, wenn auch nur kurz und notwendig. Die Entfernung, die Ihre Daten zurücklegen müssen, wirkt sich auch darauf aus, wie lange es dauert, bis sie dorthin gelangen, und es kann zusätzliche Engpässe bei jeder Hardware und Verkabelung geben, durch die die Daten transportiert werden müssen, um an ihr Ziel zu gelangen. Ein System ist nur so schnell wie seine langsamste Komponente, und in Zeiten scheinbar (aber nicht wirklich) sofortiger Kommunikation zählt jede Millisekunde.

Es gab kürzlich Durchbrüche bei der Übertragung von Daten über Kupferkabel mit nahezu faseroptischen Geschwindigkeiten durch die Reduzierung von Interferenzen und andere Techniken. Und die Forscher arbeiten auch daran, Daten per Licht durch die Luft zu übertragen, etwa durch die Verwendung von Glühbirnen für WLAN oder die Übertragung von Laserstrahlen von Gebäude zu Gebäude. Auch hier bewegt sich Licht durch die Luft nahezu mit Lichtgeschwindigkeit, aber nichts, was wir jetzt haben, überschreitet die Geschwindigkeitsbegrenzung. Können wir eine tatsächliche Übertragung schneller als Licht erreichen?

Das drahtlose Telefon von Alexander Graham Bell

Die Verwendung von Glasfaserkabeln war nicht der erste Versuch, Licht für die Datenübertragung nutzbar zu machen. Alexander Graham Bell selbst erfand das Fototelefon, das im Wesentlichen das erste drahtlose Telefon war, aber Licht anstelle der von modernen Mobiltelefonen verwendeten Funkwellen verwendete. Es funktionierte, indem eine Stimme auf einen Spiegel projiziert wurde, was den Spiegel zum Vibrieren brachte. Das Licht der Sonne wurde von dem vibrierenden Spiegel in einen Selenempfänger reflektiert , der es in elektrischen Strom für die Übertragung per Telefon umwandelte (seine berühmteste Erfindung). Der Hauptfehler war, dass direktes Sonnenlicht erforderlich war, sodass Wolken oder andere Objekte das Signal blockieren konnten. Es macht nichts aus, mitten in der Nacht anzurufen. Aber es funktionierte tatsächlich und diente als Vorläufer der Glasfaser.

Wissenschaftler des National Institute of Standards and Technology (NIST) behaupten, eine überlichtschnelle Übertragung von Quantendaten mit einer sogenannten Vierwellenmischung erreicht zu haben, die übrigens ein Phänomen ist, das als eine Form der Interferenz in Glasfaserleitungen gilt . Das Experiment besteht darin, einen kurzen 200-Nanosekunden- Seed-Puls durch erhitzten Rubidiumdampf zu schicken und gleichzeitig einen zweiten Pumpstrahl einzusendenbei einer anderen Frequenz, um den Seed-Impuls zu verstärken. Photonen beider Strahlen interagieren mit dem Dampf auf eine Weise, die einen dritten Strahl erzeugt. Offensichtlich können die Spitzen sowohl des verstärkten Seed-Pulses als auch des neu erzeugten Pulses schneller austreten als ein Referenzstrahl, der sich mit Lichtgeschwindigkeit in einem Vakuum ausbreitet. Die berichteten Geschwindigkeitsunterschiede waren 50 bis 90 Nanosekunden schneller als Licht durch ein Vakuum. Sie verkündeten sogar, dass sie in der Lage seien, die Geschwindigkeit der Impulse abzustimmen, indem sie die Verstimmung und Leistung des Eingangssamens veränderten.

Eine weitere schnelle Datenübertragungstechnologie, die in Arbeit ist, ist die Quantenteleportation, das auf der Existenz von verschränkten Paaren beruht: zwei Teilchen, die so aufeinander abgestimmt sind, dass, wenn Sie eines messen, das andere die gleiche Qualität hat, die Sie im ersten gefunden haben, unabhängig von ihrer Entfernung von einem Ein weiterer. Dies erfordert auch ein drittes Partikel, das die eigentlichen Datenbits enthält, die Sie zu übertragen versuchen. Mit einem Laser wird eines der verschränkten Teilchen sozusagen an eine andere Stelle teleportiert. Es transportiert nicht wirklich ein Photon, sondern verwandelt ein neues Photon in eine Kopie des Originals. Das Photon im verschränkten Paar kann mit dem dritten Photon verglichen werden, um ihre Ähnlichkeiten oder Unterschiede zu finden, und diese Informationen können an den anderen Ort weitergeleitet und zum Vergleich mit dem Zwillingsteilchen verwendet werden, um die Daten zu sammeln. Das klingt nach etwas, das zu einer sofortigen Übertragung führen würde, aber das ist nicht der Fall. Laserstrahlen bewegen sich nur mit Lichtgeschwindigkeit. Aber das hat potenzielle Anwendungen für den Versand verschlüsselter Daten über Satellit und für die Vernetzung von Quantencomputern, falls wir sie jemals erfinden sollten. Und es ist weiter als alle Versuche einer superluminalen Datenübertragung. Es funktioniert zu diesem Zeitpunkt über Meilen, und Forscher versuchen, die Teleportationsentfernung zu erhöhen.

Die Antwort darauf, ob aussagekräftige Informationen schneller als das Licht reisen können, lautet derzeit nein. Wir sind erst auf dem Niveau, ein paar Quantenteilchen mit Geschwindigkeiten zu bewegen, die möglicherweise über der Lichtgeschwindigkeit liegen, wenn die Daten für nachfolgende Experimente stimmen. Um eine praktisch anwendbare Form der Datenübertragung zu haben, müssen Sie in der Lage sein, organisierte Datenbits, die etwas bedeuten, unverfälscht an eine andere Maschine zu senden, die sie interpretieren kann. Nichts anderes wird die schnellste Übertragung der Welt bedeuten. Aber Sie können sicher sein, dass wir, wenn die Lichtgeschwindigkeit gebrochen wird, sie viel früher auf unsere Internetübertragungen anwenden werden als auf interstellare Reisen. Unsere Fähigkeit, in höchster Qualität fernzusehen und mit den schnellsten Geschwindigkeiten im Internet zu surfen, wird von größter Bedeutung sein. Und vielleicht für diese Zwecke

Anmerkung des Verfassers

Physik ist ein wirklich faszinierendes Fach, da sie versucht, die Antwort darauf zu finden, wie alles im Universum funktioniert. Ohne das Studium der Physik hätten wir wahrscheinlich nicht viele moderne Annehmlichkeiten, zum Beispiel solche, die Strom benötigen oder vom Verhalten von Wellen jeglicher Art abhängen (wie fast jede Form der Fernkommunikation). Das würden Sie jetzt bestimmt nicht lesen. Ohne ein Verständnis der physikalischen Gesetze wäre das Heben eines Klaviers schwieriger, Videospiele würden nicht so viel Spaß machen (oder existieren) und Cartoon-Animatoren wüssten nicht, welche Gesetze sie brechen müssten, um uns zum Lachen zu bringen. Und wir hätten uns sicherlich nicht in den Weltraum gewagt, eine Fähigkeit, die wir brauchen werden, wenn wir durch Astrophysik oder einen scharfen Beobachter entdecken, dass ein planetenzerstörender Asteroid auf uns zukommt. Ebenfalls, Ein großes Lob an die Mathematik, die das Studium der Physik ermöglicht hat. Ich werde mich weiterhin zurücklehnen und die Vorteile ernten, die von all den hart arbeitenden Mathematikern, Physikern und Ingenieuren der Welt ermöglicht werden.

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