I september 2011 chockade fysiker Antonio Ereditato världen. Hans uttalande kan vända vår förståelse av universum upp och ner. Om de uppgifter som samlats in av de 160 OPERA-forskarna var korrekta, observerades det otroliga. Partiklar - i detta fall neutrinoer - rörde sig snabbare än ljus. Enligt Einsteins relativitetsteori är detta omöjligt. Och konsekvenserna av en sådan observation skulle vara otroliga. Kanske måste själva grunden för fysiken revideras.
Medan Ereditato sa att han och hans team var "extremt självsäkra" i sina resultat, sa de inte att uppgifterna var helt korrekta. Tvärtom, de bad andra forskare att hjälpa dem ta reda på vad som pågick.
I slutändan visade det sig att OPERA-resultaten var fel. En dåligt ansluten kabel orsakade ett synkroniseringsproblem och signalerna från GPS-satelliterna var felaktiga. Det var en oväntad fördröjning av signalen. Som ett resultat visade mätningar av tiden det tog för neutrinoer att täcka ett visst avstånd ytterligare 73 nanosekunder: det verkade som om neutrinoerna flög snabbare än ljus.
Trots månader av granskning innan experimentet inleddes och dubbelkontrollen av data därefter, hade forskarna allvarligt fel. Ereditato avgick, till skillnad från många kommentarer om att sådana fel alltid inträffade på grund av den extrema komplexiteten hos anordningen för partikelacceleratorer.
Varför antog antagandet - bara antagandet - att något kunde röra sig snabbare än ljus orsaka ett sådant ljud? Hur säkra är vi på att ingenting kan övervinna denna hinder?
Låt oss först titta på den andra av dessa frågor. Ljushastigheten i vakuum är 299.792.458 kilometer per sekund - för enkelhets skull avrundas detta nummer till 300.000 kilometer per sekund. Det är ganska snabbt. Solen ligger 150 miljoner kilometer från jorden, och ljuset från den når jorden på bara åtta minuter och tjugo sekunder.
Kan någon av våra skapelser tävla i tävlingen mot ljus? En av de snabbaste konstgjorda föremål som någonsin har byggts, rymdproben New Horizons viskade förbi Pluto och Charon i juli 2015. Han nådde en hastighet relativt jorden på 16 km / s. Mycket mindre än 300 000 km / s.
Men vi hade små partiklar som rörde sig mycket snabbt. I början av 1960-talet experimenterade William Bertozzi vid Massachusetts Institute of Technology med att accelerera elektroner till ännu högre hastigheter.
Kampanjvideo:
Eftersom elektroner har en negativ laddning kan de påskyndas - mer exakt avvisas - genom att applicera samma negativa laddning på materialet. Ju mer energi som används, desto snabbare accelererar elektronerna.
Man skulle tro att man bara behöver öka den applicerade energin för att accelerera till en hastighet av 300 000 km / s. Men det visar sig att elektroner bara inte kan röra sig så snabbt. Bertozzis experiment visade att användning av mer energi inte leder till en direkt proportionell ökning av elektronernas hastighet.
Istället måste enorma mängder extra energi appliceras för att ändra elektronernas hastighet till och med något. Det blev närmare och närmare ljusets hastighet, men den nådde aldrig den.
Föreställ dig att gå mot dörren i små steg, som vart och ett reser halva avståndet från din nuvarande position till dörren. Strängt taget kommer du aldrig att komma till dörren, för efter varje steg du tar kommer du att ha ett avstånd att övervinna. Bertozzi stod inför ett sådant problem när han hanterade sina elektroner.
Men ljus består av partiklar som kallas fotoner. Varför kan dessa partiklar röra sig med ljusets hastighet, men elektroner kan inte?
"När föremål rör sig snabbare och snabbare blir de tyngre - ju tyngre de blir, desto svårare är det för dem att accelerera, så att du aldrig kommer till ljusets hastighet," säger Roger Rassoul, en fysiker vid University of Melbourne i Australien.”En foton har ingen massa. Om han hade massa kunde han inte röra sig med ljusets hastighet."
Fotoner är speciella. De saknar inte bara massa, vilket ger dem fullständig rörelsefrihet i rymdvakuumet, de behöver inte heller påskyndas. Den naturliga energin de har till sitt förfogande rör sig i vågor, precis som de gör, så vid tidpunkten för skapandet har de redan maximal hastighet. På ett sätt är det lättare att tänka på ljus som energi snarare än en ström av partiklar, även om sanningen är att ljus är båda.
Men ljuset går mycket långsammare än vi kan förvänta oss. Medan internettekniker gillar att prata om kommunikation som fungerar med "ljusets hastighet" i fiber, reser ljuset 40% långsammare i glaset från den fibern än i vakuum.
I verkligheten reser fotoner med en hastighet av 300 000 km / s, men de stöter på en viss interferens, störningar orsakade av andra fotoner som avges av glasatomerna när den huvudsakliga ljusvågen passerar. Det kanske inte är lätt att förstå, men vi försökte åtminstone.
På samma sätt, inom ramen för speciella experiment med enskilda fotoner, var det möjligt att bromsa dem ganska imponerande. Men i de flesta fall är antalet 300 000 giltigt. Vi har inte sett eller skapat något som kan röra sig så snabbt eller ännu snabbare. Det finns speciella punkter, men innan vi berör dem, låt oss beröra vår andra fråga. Varför är det så viktigt att ljushastighetsregeln följs strikt?
Svaret har att göra med en man som heter Albert Einstein, som ofta är fallet i fysiken. Hans speciella relativitetsteori undersöker de många konsekvenserna av hans universella hastighetsgränser. En av de viktigaste delarna i teorin är tanken på att ljusets hastighet är konstant. Oavsett var du är eller hur snabb du rör dig, rör sig ljuset alltid med samma hastighet.
Men detta har flera konceptuella problem.
Föreställ dig att ljuset faller från en ficklampa på en spegel i taket på ett stationärt rymdskepp. Ljuset tänds, reflekteras från spegeln och faller på rymdskeppets golv. Låt oss säga att han täcker ett avstånd på 10 meter.
Föreställ dig nu att detta rymdskepp börjar röra sig med en kolossal hastighet på många tusentals kilometer per sekund. När du slår på ficklampan uppträder ljuset som tidigare: det lyser uppåt, träffar spegeln och reflekteras på golvet. Men för att göra detta måste ljuset resa ett diagonalt avstånd, inte ett vertikalt. När allt kommer omkring, spegeln rör sig nu snabbt med rymdskeppet.
Följaktligen ökar avståndet som ljuset rör sig. Låt oss säga 5 meter. Det visar sig vara 15 meter totalt, inte 10.
Trots detta, även om avståndet har ökat, hävdar Einsteins teorier att ljus fortfarande kommer att röra sig med samma hastighet. Eftersom hastigheten är avstånd dividerat med tiden, eftersom hastigheten förblir densamma och avståndet ökar, måste tiden också öka. Ja, själva tiden måste sträcka sig. Även om det låter konstigt har det bekräftats experimentellt.
Detta fenomen kallas tidsutvidgning. Tiden rör sig långsammare för människor som rör sig i snabbt rörliga fordon, relativt de som är stillastående.
Till exempel går tiden 0,007 sekunder långsammare för astronauter på den internationella rymdstationen, som rör sig med 7,66 km / s relativt Jorden jämfört med människor på planeten. Ännu mer intressant är situationen med partiklar som nämnda elektroner, som kan färdas nära ljusets hastighet. När det gäller dessa partiklar kommer graden av retardation att vara enorm.
Stephen Colthammer, en experimentell fysiker vid University of Oxford i Storbritannien, pekar på ett exempel med partiklar som kallas muons.
Muons är instabila: de försvinner snabbt till enklare partiklar. Så snabbt att de flesta muoner som lämnar solen bör förfallas när de når jorden. Men i verkligheten kommer muoner till jorden från solen i kolossala volymer. Fysiker har länge försökt ta reda på varför.
"Svaret på detta mysterium är att muoner genereras med så energi att de rör sig med hastigheter nära ljus", säger Kolthammer. "Deras känsla av tid, så att säga, deras interna klocka går långsamt."
Muons "överlever" längre än väntat relativt oss, tack vare den nuvarande naturliga krökningen av tiden. När objekt rör sig snabbt i förhållande till andra föremål minskar också deras längd, minskar. Dessa konsekvenser, tidsutvidgning och längd minskar, är exempel på hur rymdtiden förändras beroende på förflyttningen av saker - jag, du eller ett rymdskepp - som har massa.
Det som är viktigt, som Einstein sa, påverkar inte ljuset, eftersom det inte har någon massa. Det är därför dessa principer går hand i hand. Om föremål kunde röra sig snabbare än ljus, skulle de följa grundläggande lagar som beskriver hur universum fungerar. Det här är viktiga principer. Nu kan vi prata om några undantag och undantag.
Å ena sidan, även om vi inte har sett något rör sig snabbare än ljus, betyder det inte att denna hastighetsgräns inte teoretiskt kan brytas under mycket specifika förhållanden. Ta till exempel utvidgningen av själva universum. Galaxer i universum rör sig bort från varandra i hastigheter mycket snabbare än ljus.
En annan intressant situation rör partiklar som delar samma egenskaper samtidigt, oavsett hur långt ifrån varandra. Detta är den så kallade "kvantförvirring". Fotonen roterar upp och ner och väljer slumpmässigt mellan två möjliga tillstånd, men valet av rotationsriktning kommer att reflektera exakt på den andra fotonen någon annanstans om de är intrasslade.
Två forskare, var och en studerar sin egen foton, kommer att få samma resultat samtidigt, snabbare än ljusets hastighet skulle tillåta.
I båda dessa exempel är det emellertid viktigt att notera att ingen information reser snabbare än ljusets hastighet mellan två objekt. Vi kan beräkna universums expansion, men vi kan inte observera objekt snabbare än ljus i det: de har försvunnit från synfältet.
När det gäller de två forskarna med sina fotoner, även om de kunde få samma resultat på samma gång, kunde de inte låta varandra veta om det snabbare än ljuset reser mellan dem.
"Detta utgör inget problem för oss, för om du kan skicka signaler snabbare än ljus får du bisarra paradoxer enligt vilka information på något sätt kan resa tillbaka i tiden," säger Kolthammer.
Det finns ett annat möjligt sätt att göra snabbare än lätt resor tekniskt möjligt: rift i rymdtid som gör det möjligt för resenären att undvika reglerna för normal resa.
Gerald Cleaver från Baylor University i Texas tror att vi en dag kan bygga ett rymdskepp som reser snabbare än ljus. Som rör sig genom ett maskhål. Maskhål är slingor i rymden som passar perfekt in i Einsteins teorier. De kunde låta en astronaut hoppa från den ena änden av universum till den andra med hjälp av en anomali i rymdtiden, någon form av kosmisk genväg.
Ett objekt som reser genom ett maskhål kommer inte att överstiga ljusets hastighet, men kan teoretiskt nå sin destination snabbare än ljus som reser längs den "normala" banan. Men maskhål kanske inte är tillgängliga för rymdresor alls. Kan det finnas ett annat sätt att aktivt snedvrida rymdtiden för att röra sig snabbare än 300 000 km / s relativt någon annan?
Cleaver utforskade också idén om en "Alcubierre-motor" som föreslogs av teoretiska fysiker Miguel Alcubierre 1994. Han beskriver en situation där rymdtiden samarbetar framför rymdskeppet, skjuter framåt och expanderar bakom det och trycker också framåt. "Men då," säger Cleaver, "uppstod problem: hur man gör det och hur mycket energi som skulle behövas."
2008 beräknade han och hans doktorand Richard Aubosie hur mycket energi som skulle behövas.
"Vi föreställde oss ett 10m x 10m x 10m rymdfarkoster - 1000 kubikmeter - och beräknade att mängden energi som krävs för att starta processen skulle motsvara massan för hela Jupiter."
Därefter måste energin ständigt "hällas" så att processen inte slutar. Ingen vet om detta någonsin kommer att vara möjligt eller hur den nödvändiga tekniken kommer att se ut. "Jag vill inte citeras i århundraden som att förutsäga något som aldrig kommer att hända," säger Cleaver, "men jag ser inte lösningar ännu."
Så reser snabbare än ljusets hastighet förblir en fantasi för tillfället. Hittills är det enda sättet att besöka en exoplanet under livet att kasta i djup upphängd animering. Och ändå är det inte så illa. I de flesta fall talade vi om synligt ljus. Men i verkligheten är ljus mycket mer. Från radiovågor och mikrovågor till synligt ljus, ultraviolett strålning, röntgenstrålar och gammastrålar som släpps ut av atomer när de förfaller består dessa vackra strålar av samma sak: fotoner.
Skillnaden är i energi, vilket betyder våglängd. Tillsammans utgör dessa strålar det elektromagnetiska spektrumet. Att radiovågor till exempel reser med ljusets hastighet är oerhört användbart för kommunikation.
I sin forskning skapar Kolthammer en krets som använder fotoner för att överföra signaler från en del av kretsen till en annan, så han förtjänar rätten att kommentera användbarheten av den otroliga ljusets hastighet.
"Själva det faktum att vi byggde till exempel infrastrukturen på Internet och före detta radio baserat på ljus har att göra med hur enkelt vi kan överföra den," konstaterar han. Och han tillägger att ljus fungerar som universums kommunikationskraft. När elektronerna i en mobiltelefon börjar skaka, flyger fotoner ut och får elektronerna i den andra mobiltelefonen att skaka också. Så här är ett telefonsamtal föds. Skakningarna av elektroner i solen avger också fotoner - i enorma mängder - som naturligtvis bildar det ljus som ger liv på jorden värme och, ahem, ljus.
Ljus är universums universella språk. Dess hastighet - 299 792.458 km / s - förblir konstant. Samtidigt är utrymme och tid formbara. Kanske borde vi inte tänka på hur vi går snabbare än ljus, men hur vi går snabbare genom detta utrymme och denna gång? Att mogna vid roten, så att säga?