Le informazioni possono viaggiare più veloci della luce?

Uno dei principi della Teoria della Relatività Speciale di Einstein è che nulla può viaggiare più veloce della velocità della luce nel vuoto. La velocità della luce è considerata il limite di velocità universale di tutto, e questo è ampiamente accettato dalla comunità scientifica. Ma nella scienza, se stabilisci una regola ferrea, qualcuno cercherà di smentirla, o almeno di trovare una scappatoia. E la velocità della luce non fa eccezione.

Leggero, nel vuoto, viaggia a circa 299.792 chilometri al secondo (186.282 miglia al secondo). Nel settembre 2011, i fisici che lavoravano all'Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus (OPERA) hanno creato una frenesia nella comunità scientifica quando hanno annunciato che i loro esperimenti hanno portato a particelle subatomiche chiamate neutrini in viaggio dall'Organizzazione europea per la ricerca nucleare (CERN) vicino a Ginevra , Svizzera al Laboratorio Nazionale del Gran Sasso vicino a L'Aquila, Italia e arrivando circa 60 nanosecondi prima di un raggio di luce. Le idee su come questi neutrini avrebbero potuto effettivamente rompere la velocità della luce, o su quali errori avrebbero potuto causare risultati impossibili, abbondavano. Infine, sono stati scoperti come probabili colpevoli problemi alle apparecchiature, incluso un cavo allentato, e i risultati sono stati dichiarati errati.

Altri ricercatori stanno cercando di piegare le regole piuttosto che infrangerle. In effetti, la curvatura dello spazio-tempo è una teoria su come si potrebbero raggiungere velocità superluminali - più veloci della luce - nei viaggi nello spazio. L'idea è che lo spazio-tempo potrebbe essere contratto davanti a un'astronave e ampliato dietro di essa, mentre la nave rimarrebbe ferma in una bolla di curvatura che a sua volta si muoveva più velocemente della velocità della luce. Questo concetto è stato originariamente modellato dal fisico teorico messicano Miguel Alcubierre nel 1994 come una possibilità teorica, ma che richiederebbe una quantità di energia negativa delle dimensioni di un universo per alimentare il fenomeno. Successivamente è stato perfezionato per richiedere una quantità delle dimensioni di un pianeta e poi di nuovo per aver bisogno di una quantità intorno alle dimensioni della sonda spaziale Voyager 1. Purtroppo, l'energia negativa dovrebbe provenire da materia esotica che è difficile da trovare, e attualmente siamo solo al livello di esperimenti di laboratorio in miniatura su motori a curvatura. La matematica dietro queste teorie si basa sulle leggi della relatività, quindi teoricamente non infrangere le regole. La tecnologia, se mai esisterà, potrebbe anche essere utilizzata per andare più lentamente della luce, ma molto più velocemente di quanto possiamo andare ora, il che potrebbe essere più pratico.

I viaggi nello spazio sono solo una delle possibili applicazioni per raggiungere o superare la velocità della luce. Alcuni scienziati stanno lavorando per fare lo stesso ai fini di un trasferimento dei dati molto più veloce. Continua a leggere per scoprire le attuali velocità dei dati e il potenziale per informazioni più veloci della luce.

Attualmente, la maggior parte dei nostri dati viaggia tramite filo di rame o cavo in fibra ottica . Anche quando inviamo dati tramite i nostri telefoni cellulari tramite onde radio, che viaggiano anche alla velocità della luce, a un certo punto finisce per attraversare le reti cablate di Internet. I due tipi più comuni di filo di rame per il trasferimento di informazioni a lunga distanza sono il doppino intrecciato (utilizzato prima per la telefonia e successivamente per Internet dial-up e DSL ) e il cavo coassiale (utilizzato inizialmente per la TV via cavo, quindi Internet e telefono). Il cavo coassiale è il più veloce dei due. Ma ancora più veloce è il cavo in fibra ottica. Invece di utilizzare il rame per condurre i dati sotto forma di segnali elettrici, il cavo in fibra ottica sposta i dati come impulsi di luce.

Il riferimento "nel vuoto" nella pagina precedente sulla velocità della luce è importante. La luce attraverso la fibra ottica non è veloce come la luce attraverso il vuoto. La luce, quando si muove attraverso qualsiasi mezzo, è più lenta della costante universale che conosciamo come velocità della luce. La differenza è trascurabile attraverso l'aria, ma la luce può essere notevolmente rallentata attraverso altri mezzi, incluso il vetro, che costituisce il nucleo della maggior parte dei cavi in ​​fibra ottica. L'indice di rifrazione di un mezzo è la velocità della luce nel vuoto divisa per la velocità della luce nel mezzo. Quindi, se conosci due di quei numeri, puoi calcolare l'altro. L'indice di rifrazione del vetro è di circa 1,5. Se dividi la velocità della luce (circa 300.000 chilometri, o 186.411 miglia al secondo) per questo, ottieni circa 200.000 chilometri (124.274 miglia) al secondo, che è la velocità approssimativa della luce attraverso il vetro. Alcuni cavi in ​​fibra ottica sono realizzati in plastica, che ha un indice di rifrazione ancora più elevato e quindi una velocità inferiore.

Parte del motivo della diminuzione della velocità è la duplice natura della luce. Ha gli attributi sia di una particella che di un'onda. La luce è in realtà composta da particelle chiamate fotoni e non si muovono in linea retta attraverso il cablaggio. Quando i fotoni colpiscono le molecole di materiale, rimbalzano in varie direzioni. La rifrazione della luce e l'assorbimento da parte del mezzo alla fine portano a una certa perdita di energia e di dati. Questo è il motivo per cui un segnale non può viaggiare indefinitamente e deve essere potenziato periodicamente per coprire lunghe distanze. Tuttavia, il rallentamento della luce non è solo una cattiva notizia. Alcune impurità vengono aggiunte alla fibra ottica per controllare la velocità e aiutare a incanalare il segnale in modo efficace.

Il cavo in fibra ottica è ancora molto più veloce del filo di rame e non è così suscettibile alle interferenze elettromagnetiche. La fibra può raggiungere velocità di centinaia di Gigabit al secondo, o addirittura Terabit. Le connessioni Internet domestiche non raggiungono quelle velocità super elevate, almeno in parte perché il cablaggio è condiviso da molte famiglie su intere aree e anche le reti che utilizzano la fibra ottica generalmente hanno il rame che attraversa l'ultimo tratto nelle case delle persone. Ma con la fibra che arriva fino al tuo quartiere o a casa, puoi ottenere qualcosa nell'intervallo da 50 a 100 Megabit al secondo di trasferimento dati, rispetto a 1-6 Megabit al secondo dalle linee DSL medie e 25 o giù di lì Megabit al secondo da cavo. Le velocità effettive dei dati variano notevolmente in base alla posizione, al provider e al piano scelto, ovviamente.

Ci sono anche altre cose che causano latenza del segnale (ritardo), come la comunicazione avanti e indietro richiesta quando si accede a una pagina Web o si scaricano dati (handshaking). Il tuo computer e il server che ospita i dati stanno comunicando per assicurarsi che siano sincronizzati e che il trasferimento dei dati avvenga correttamente, causando un ritardo, anche se breve e necessario. La distanza che i tuoi dati devono percorrere influirà anche sul tempo impiegato per arrivarci e potrebbero esserci ulteriori colli di bottiglia su qualsiasi hardware e cablaggio che i dati devono percorrere per arrivare a destinazione. Un sistema è veloce quanto il suo componente più lento e ogni millisecondo conta nei giorni di comunicazione apparentemente (ma non proprio) istantanea.

Ci sono state scoperte recenti nel trasferimento di dati su cavi in ​​rame a velocità quasi in fibra ottica riducendo le interferenze e altre tecniche. E i ricercatori stanno anche lavorando alla trasmissione di dati tramite la luce attraverso l'aria, ad esempio utilizzando lampadine per Wi-Fi o la trasmissione di raggi laser da un edificio all'altro. Ancora una volta, la luce nell'aria si muove a una velocità vicina a quella della luce, ma nulla che abbiamo ora sta superando il limite di velocità. Possiamo ottenere un trasferimento effettivo più veloce della luce?

Il telefono senza fili di Alexander Graham Bell

L'uso del cavo in fibra ottica non è stato il primo tentativo di sfruttare la luce per il trasferimento dei dati. Lo stesso Alexander Graham Bell ha inventato il fotofono, che era essenzialmente il primo telefono senza fili, ma utilizzava la luce anziché le onde radio utilizzate dai moderni telefoni cellulari. Funzionava proiettando una voce verso uno specchio, che faceva vibrare lo specchio. La luce del sole veniva rimbalzata dallo specchio vibrante in un ricevitore al selenio che la converte in corrente elettrica per la trasmissione via telefono (la sua invenzione più famosa). Il suo principale difetto era che era necessaria la luce solare diretta, quindi nuvole o altri oggetti potevano bloccare il segnale. Non importa fare una chiamata nel cuore della notte. Ma in realtà ha funzionato ed è servito come predecessore della fibra ottica.

Gli scienziati del National Institute of Standards and Technology (NIST) affermano di aver raggiunto un trasferimento di dati quantistici più veloce della luce utilizzando qualcosa chiamato miscelazione a quattro onde, che per inciso è un fenomeno considerato una forma di interferenza nelle linee in fibra ottica . L'esperimento prevede l'invio di un breve impulso seme di 200 nanosecondi attraverso il vapore di rubidio riscaldato e allo stesso tempo l'invio di un secondo raggio di pompaa una frequenza diversa per amplificare l'impulso del seme. I fotoni di entrambi i fasci interagiscono con il vapore in un modo che genera un terzo raggio. Apparentemente, i picchi sia dell'impulso seme amplificato che dell'impulso appena generato possono uscire più velocemente di un raggio di riferimento che viaggia alla velocità della luce nel vuoto. Le differenze di velocità che hanno riportato erano da 50 a 90 nanosecondi più veloci della luce attraverso il vuoto. Hanno persino proclamato di essere in grado di sintonizzare la velocità degli impulsi alterando la detuning e la potenza del seme in ingresso.

Un'altra tecnologia di trasferimento dati veloce in lavorazione è il teletrasporto quantistico, che si basa sull'esistenza di coppie entangled: due particelle che sono in sintonia tra loro al punto che se ne misuri una, l'altra finisce con la stessa qualità che hai trovato nella prima, indipendentemente dalla loro distanza da una un altro. Ciò richiede anche una terza particella che contenga i bit di dati effettivi che stai tentando di trasferire. Un laser viene utilizzato per teletrasportare una delle particelle aggrovigliate altrove, per così dire. Non sta davvero trasportando un fotone, ma piuttosto cambiando un nuovo fotone in una copia dell'originale. Il fotone nella coppia entangled può essere confrontato con il terzo fotone per trovare le loro somiglianze o differenze e tale informazione può essere trasmessa all'altra posizione e utilizzata per il confronto con la particella gemella per raccogliere i dati. Questo suona come qualcosa che comporterebbe un trasferimento istantaneo, ma non è così. I raggi laser viaggiano solo alla velocità della luce. Ma questo ha potenziali applicazioni per l'invio di dati crittografati via satellite e per il collegamento in rete di computer quantistici, se mai dovessimo inventarli. Ed è più avanti di qualsiasi tentativo di trasferimento di dati superluminali. Funziona per miglia a questo punto e i ricercatori stanno cercando di aumentare la distanza di teletrasporto.

La risposta se le informazioni significative possono viaggiare più velocemente della luce è attualmente no. Siamo solo al livello di spostare alcune particelle quantistiche a velocità che potrebbero essere superiori alla velocità della luce, se i dati si rivelano in esperimenti successivi. Per avere una forma di trasferimento dati praticamente applicabile, devi essere in grado di inviare bit organizzati di dati che significano qualcosa, non corrotti, a un'altra macchina in grado di interpretarli. La trasmissione più veloce del mondo non significherà altrimenti. Ma puoi star certo che se la velocità della luce è ridotta, la applicheremo alle nostre trasmissioni Internet molto prima che ai viaggi interstellari. La nostra capacità di guardare la televisione della massima qualità e navigare in rete alle velocità più elevate sarà fondamentale. E forse per questi scopi,

Nota dell'autore

La fisica è un argomento davvero affascinante, poiché cerca di trovare la risposta a come funziona tutto nell'universo. Senza lo studio della fisica, probabilmente non avremmo molte comodità moderne, ad esempio quelle che richiedono elettricità, o dipendono dal comportamento delle onde di qualsiasi tipo (come quasi ogni forma di comunicazione a lunga distanza). Certamente non starai leggendo questo in questo momento. Senza una comprensione delle leggi fisiche, sollevare un pianoforte sarebbe più difficile, i videogiochi non sarebbero così divertenti (o esisterebbero) e gli animatori di cartoni animati non saprebbero quali leggi violare per farci ridere. E di certo non ci saremmo avventurati nello spazio, un'abilità di cui avremo bisogno se scoprissimo, tramite l'astrofisica o un attento osservatore, che un asteroide distruttore di pianeti si sta dirigendo verso di noi. Anche, complimenti alla matematica per aver reso possibile lo studio della fisica. Continuerò a sedermi e raccogliere i benefici resi possibili da tutti i laboriosi matematici, fisici e ingegneri del mondo.

articoli Correlati