چرا نمی‌توانیم سریع‌تر از نور حرکت کنیم؟

سپتامبر ۲۰۱۱ بود که با خبری تکان دهنده، ناگهان جهان در بهت و حیرت فرو رفت. فیزیک‌دانی به نام «آنتونیو اردیتاتو» خبری داد که در صورت تایید صحت، می‌توانست دید ما را نسبت به جهان اطراف به کلی تغییر دهد. خبر این بود که در آزمایش‌هایی تحت نام «پروژه‌ی اپرا» ذراتی زیر اتمی به نام «نوترینو» توانسته‌اند سریع‌تر از نور حرکت کنند. طبق نظریه‌ی نسبیت خاص اینشتین، هیچ چیزی در جهان نمی‌تواند سریع‌تر از نور حرکت کند. اگر این خبر درست از آب در می‌آمد، نظریه‌ی اینشتین باطل می‌شد. هرچند اردیتاتو و گروهش می‌گفتند اطمینان زیادی از صحت این آزمایش دارند، ولی هیچ‌گاه به طور کامل اطمینان خود از این کشف را بیان نکردند. در حقیقت از دیگر دانشمندان خواستند که در آزمایش صحت داده‌ها به آن‌ها کمک کنند. در نهایت مشخص شد که نتایج غلط بوده‌اند. مشکل در زمان‌سنجی دستگاه‌هایی بوده که باید هماهنگ با سیگنال‌های ماهواره‌های GPS کار می‌کردند. در نتیجه این تصور بوجود آمد که نوترینوها مسیری مشخص را اندکی سریع‌تر از فوتون‌های نوری پیموده‌اند. ظاهرا همان‌طور که اینشتین می‌گفت، هیچ چیز نمی‌تواند از نور سبقت بگیرد. ولی دلیل اینشتین برای این ادعا چه بود؟

سرعت نور در خلاء ۲۹۹٫۷۹۲٫۴۵۸ متر بر ثانیه است. معمولا آن را گرد می‌کنیم و می‌گوییم ۳۰۰ هزار کیلومتر بر ثانیه. هرچند که خیلی سریع به نظر می‌رسد، ولی ۸ دقیقه و ۲۰ ثانیه طول می‌کشد که نور خورشید فاصله‌ی ۱۵۰ میلیون کیلومتری تا زمین را طی کند. ما هیچ وقت نتوانسته‌ایم هواپیما، فضاپیما یا موشکی بسازیم که با سرعت نور رقابت کند. یکی از سریع‌ترین چیزهایی که تا به حال ساخته‌ایم، فضاپیمای «افق‌های نو» است که پارسال از نزدیکی سیاره‌ی کوتوله‌ی پلوتو گذشت. سرعت این فضاپیما نسبت به زمین در بیشترین حالت به ۱۶ کیلومتر بر ثانیه رسید. این سرعت خیلی با ۳۰۰ هزار کیلومتر بر ثانیه فاصله دارد.

هرچند که فضاپیماهای ما نتوانسته‌اند خیلی سریع حرکت کنند، ولی توانسته‌ایم کاری کنیم که ذرات زیر اتمی با سرعت نزدیک به نور جابجا شوند. از آن‌جا که الکترون‌ها بار الکتریکی منفی دارند، به راحتی می‌توان با اعمال میدان الکتریکی، به آن‌ها شتاب داد. هرچه انرژی بیشتری اعمال شود، الکترون‌ها شتاب بیشتری می‌گیرند. شاید فکر کنید برای اینکه بتوانیم سرعت الکترون‌ها را به ۳۰۰ هزار کیلومتر بر ثانیه برسانیم کافیست انرژی اعمال شده را بیشتر و بیشتر کنیم. ولی اکنون می‌دانیم که این کار کافی نیست. اعمال انرژی بیشتر لزوما به افزایش سرعت الکترون‌ها ختم نمی‌شود و در نهایت کار به جایی می‌رسد که برای افزایش سرعت به میزان خیلی کم، نیاز به اعمال انرژی خیلی زیاد پیش می‌آید. سرعت الکترون‌ها می‌تواند به سرعت نور نزدیک‌ و نزدیک‌تر شود ولی هیچ وقت به آن نمی‌رسد. مثل این است که در چند قدمی یک پنجره باشید و برای رسیدن به آن، هر قدمی که برمی‌دارید نصف فاصله‌ی شما تا پنجره باشد. واقعیت این است که هیچ وقت به پنجره نمی‌رسید چرا که بعد از هر قدم همچنان مسافتی برای رسیدن تا پنجره دارید. این عین همان مشکلی است که برای الکترون‌ها بوجود می‌آید.

نور از ذراتی به نام فوتون تشکیل شده است. فوتون‌ها با همان سرعت ۳۰۰ هزار کیلومتر بر ثانیه حرکت می‌کنند. چرا این ذرات می‌توانند با سرعت نور حرکت کنند ولی الکترون‌ها نمی‌توانند؟ فیزیک‌دانی از دانشگاه ملبورن به نام «راجر رسول» می‌گوید: «هرچه اجرام سریع‌ و سریع‌تر حرکت کنند، سنگین و سنگین‌تر می‌شوند. هرچه سنگین‌تر می‌شوند، شتاب گرفتن مشکل‌تر می‌شود. بنابراین هیچ وقت به سرعت نور نمی‌رسند.»  او ادامه می‌دهد: «فوتون‌ها فاقد جرم هستند. اگر جرم داشتند نمی‌توانستند با سرعت نور حرکت کنند.» بنابراین الکترون‌ها فقط بدین خاطر که جرم دارند نمی‌توانند به سرعت نور برسند و این درحالیست که فوتون‌ها چون جرم ندارند می‌توانند با سرعت ۳۰۰ هزار کیلومتر بر ثانیه حرکت کنند. در کل فوتون‌ها ذرات خیلی عجیبی هستند. نه تنها جرم ندارند و در نتیجه می‌توانند با سرعت نور حرکت ‌کنند، بلکه شتاب هم نمی‌گیرند. آن‌ها از زمانی که بوجود می‌آیند با بیشترین سرعت خود حرکت می‌کنند. مثلا در شرایط خلاء نمی‌توانید فوتونی را پیدا کنید که با ۸۰ درصد سرعت نور حرکت ‌کند. فوتون یا وجود ندارد یا اگر وجود داشته باشد در حال رفتن از سویی به سوی دیگر با سرعت نور است.