I flere forsøk i de siste årene har fysikerne nærmet seg og faktisk utfordret universets fartsgrenser. Forskere har blant annet vist at partikler i teorien kan bevege seg raskere enn lys, og målt det ekstremt korte tidsrommet et foton bruker på å passere et hydrogenmolekyl.

Det er det såkalte higgsfeltet som setter den fysiske grensen for hvor raskt partikler kan bevege seg.

Feltet er spent ut i rommet som et slags spindelvev partiklene blir fanget i, og gir alle byggesteinene til atomene sine masser. Jo sterkere en partikkel kobler seg til feltet, jo tyngre blir den.

Kvarker, som bygger opp protonene og nøytronene i atomkjerner, kobler seg sterkt til massefeltet og er derfor tunge. Elektroner og nøytrinoer har en svakere kobling og er derfor lettere.

Koblingens styrke bestemmer partiklenes toppfart. Det kosmiske spindelvevet kleber sterkest til tunge partikler og sinker dem mer enn lette partikler.

Fordi lyspartikler, fotoner, er masseløse, merker ikke de higgsfeltet. Derfor spurter lyset av sted i 299 792 458 m/s, som er universets fartsgrense. Men i den sære kvanteverdenen kan partikler bevege seg raskere enn lyset i såkalte kvantetunneler.

1. Raskeste partikler

Partikler universets fartsgrenser - rubidium

Rubidiumatomer har passert en kvantetunnel i forsøk. Her ses stoffet i delvis smeltet form.

© Dennis SK

Partikler tar en snarvei gjennom en tunnel

> 100 prosent av lysets hastighet

En ball som støter mot en mur, blir sendt tilbake, men partikler går i noen tilfeller tvers gjennom. Fenomenet kalles en kvantetunnel, og turen gjennom tunnelen kan teoretisk sett ta kortere tid enn partikkelen ville bruke på å tilbakelegge den samme strekningen i vakuum.

Kanskje vil partikler faktisk kunne ta igjen lyset ved å ta en snarvei gjennom en kvantetunnel. Det har et nytt eksperiment utført av fysikere ved University of Toronto i Canada levert det hittil sterkeste indisiet på.

Forskerne brukte ultrakalde rubidiumatomer som langsomt drev inn mot en magnetisk barriere med en bredde på 1,3 mikrometer. Noen av atomene passerte barrieren gjennom kvantetunneler.

Forskere har fått rubidiumatomer til å passere en magnetisk barriere raskere enn de ville kunne tilbakelegge samme strekning i vakuum. Atomenes hastighet ble målt ut fra rotasjonsretningen.

kvantunnel - atormernes rotation
© Samuel Velasco/Quanta Magazine/Lotte Fredslund

1. Atomenes rotasjon ensrettes

Alle atomer roterer rundt seg selv (pil). Ved hjelp av et magnetfelt ensrettet fysikerne omkring 8000 rubidiumatomer i en ultrakald gass, slik at rotasjonsaksen snudde nøyaktig samme vei.

kvantetunnel - magnetisk barriere
© Samuel Velasco/Quanta Magazine/Lotte Fredslund

2. Kvantetunneler skaper passasje

Atomene drev deretter mot en magnetisk barriere. De fleste av atomene ble slått tilbake som baller mot en mur, men noen av dem smatt gjennom barrieren via såkalte kvantetunneler.

kvantetunnel - atomernes rotation
© Samuel Velasco/Quanta Magazine/Lotte Fredslund

3. Rotasjon viser atomenes fart

Jo lengre tid passasjen varer, jo mer endres retningen av atomenes rotasjonsakse. Målinger av aksene viste at atomene passerte barrieren med høyere fart enn hvis den ikke hadde vært der.

Målinger av kvantefenomener er alltid omgitt med usikkerhet, men forsøket var nøyaktig nok til å vise at atomene i gjennomsnitt brukte 0,61 millisekunder på turen gjennom tunnelen. Ifølge forskergruppens leder, Aephraim Steinberg, er det raskere enn de ville kunne tilbakelegge den samme strekningen i vakuum.

Reisetiden gjennom en kvantetunnel stiger ikke særlig mye selv om barrieren gjøres bredere. Derfor mener Steinberg at en tilstrekkelig lang kvantetunnel gjennom en tykk barriere vil akselerere atomer opp til en fart som overskrider lysets hastighet.

2. Første simultanmåling

Partikler universets fartsgrenser - Virgo-Aerial-View

Virgo-detektoren i Italia fanget opp gravitasjonsbølgene fra et sammenstøt mellom to nøytronstjerner.

© Virgo Coll

Tyngdekraften løper om kapp med lyset

100 prosent av lysets hastighet

Einsteins generelle relativitetsteori forutsier at gravitasjonsbølger ruller gjennom rommet med lysets hastighet. I 2017 kunne fysikerne for første gang teste om den forutsigelsen holder stikk.

Gravitasjonsbølger er krusninger i rommet som oppstår ved store kosmiske begivenheter – som da to nøytronstjerner for 130 millioner år siden støtte sammen i Melkeveien og ble til et svart hull. Selv om de bare måler 20 kilometer i diameter, inneholder nøytronstjerner mer masse enn solen, og under sammenstøtet mellom de to massive stjernene ble det både sendt ut gravitasjonsbølger og lys i form av et gammaglimt.

Da signalene nådde fram til jorden, lyktes det for første og hittil eneste gang å registrere begge deler samtidig. Gravitasjonsbølgene ble oppdaget av to detektorer i USA og en i Europa, mens gammaglimtet samtidig ble fanget av Nasa-satellitten Fermi.

Partikler universets fartsgrenser - tyngdebølger

En kosmisk kollisjon for 130 millioner år siden sendte ut lys (gammaglimt) og gravitasjonsbølger.

© GSFC/NASA

Til forskernes overraskelse nådde gravitasjonsbølgene fram 1,7 sekunder før gammaglimtet. Det så ut som gravitasjonsbølgene hadde passert lyset, men forskerne mener at den minimale tidsforskjellen – under to sekunder over 130 millioner år – har andre årsaker.

Enten ble gammaglimtet sendt ut fra det indre av de kolliderende nøytronstjernene, slik at gravitasjonsbølgene fra overflaten fikk et forsprang, eller så ble lyset forsinket litt av en tett sky av gass som ble sendt ut ved sammenstøtet. Einsteins teori er altså ikke motbevist enda.

3. Korteste tidsrom

Partikler universets fartsgrenser - Petra-III

Fysikere brukte den tyske røntgenlaseren Petra III til å måle den tiden det tar en lyspartikkel å krysse et hydrogenmolekyl.

© Heiner Müller-Elsner/DESY

Forskere måler lysets vei gjennom et molekyl

100 prosent av lysets hastighet

De raskeste kjemiske reaksjonene skjer på milliondeler av en milliarddel av et sekund. Gjennom de siste to tiårene har forskerne utviklet lasere som blinker raskt nok til å måle reaksjonene mens de finner sted.

Nå har tyske fysikere under ledelse av Reinhardt Dörner ved Goethe-universitetet i Frankfurt registrert et enda kortere tidsrom. Det måles i zeptosekunder – det vil si i billiondeler av en milliarddel av et sekund.

Fysikerne brukte røntgenlaseren Petra III i Hamburg til å måle hvor lang tid en lyspartikkel bruker på å krysse gjennom et hydrogenmolekyl. Det er verdens minste molekyl, og det har et tverrsnitt på 120 billiondeler av en meter. Hydrogenmolekylet inneholder to protoner (blått) og to elektroner.

Partikler universets fartsgrenser - lysets vei

Ved å sende en lyspartikkel gjennom et hydrogenmolekyl og studere de resulterende bølgene (interferensmønsteret) målte forskerne det hittil korteste tidsrommet.

© Shutterstock & Lotte Fredslund

Fysikerne beskjøt molekylet med individuelle røntgenfotoner. Fotonet (gul pil) beveget seg gjennom molekylet med lysets hastighet og sparket først det ene elektronet og så det andre ut av elektronskyen (grå) rundt de to protonene.

Utenfor skyen ble elektronene til bølger som traff hverandre som ringer i vannet og dannet et interferensmønster (rødt). Ut fra mønsteret kunne forskerne beregne nøyaktig hvor lang tid det gikk fra fotonet traff det første til det traff det andre elektronet.

Målingene viste at røntgenfotonet fløy gjennom hydrogenmolekylet på 247 billiondeler av en milliarddels sekund – eller 247 zeptosekunder. Det er det korteste tidsrommet som noen gang er målt.

4. Langsomste lys

Partikler universets fartsgrenser - fotoners bølgeform

Forskere har endret fotoners bølgeform (t.v.) og dermed senket lyshastigheten i vakuum.

© University of Glasgow & Heriot-Watt University

Omformede lyspartikler faller bakover i feltet

99,999 prosent av lysets hastighet

Lysets hastighet i vakuum regnes normalt for en konstant, men i forsøk har forskere nå fått lyspartikler til å bevege seg 0,001 prosent langsommere enn normalt.

Når lys beveger seg gjennom transparente medier som glass eller vann, brytes lysbølgene, og farten blir lavere enn topphastigheten i vakuum, som er 299 792 458 m/s; for eksempel faller lysets hastighet til 224 844 344 m/s i vann.

Den danske fysikeren Lene Hau ved Harvard University i USA skapte sensasjon da hun i 1999 senket farten til lysbølger helt ned til 17 m/s ved å sende dem gjennom en ultrakald gass. Men den ytterste eksperimentelle utfordringen er å senke lysets hastighet i vakuum, og her har Jacquiline Romero og Daniel Giovannini ved University of Glasgow i Skottland oppnådd de hittil beste resultatene.

Forskerne produserte lyspartikler i par og skilte dem med et prisme før de ble sendt gjennom en meterlang racerbane i vakuum. Ved inngangen til banen passerte det ene fotonet en maske – en hullete plate – som endret fotonets form. Det er mulig fordi lyspartikkelen takket være kvantemekanikkens underlige lover både er en partikkel og en bølge.

Bølgen kom til å ligne en målskive (t.v.), og de omformede fotonene mistet dermed 0,001 prosent av hastigheten på turen gjennom racerbanen i forhold til de uendrede fotonene (t.h.).

Lyspulsen som helhet spurtet imidlertid gjennom banen med lysets vanlige topphastighet i vakuum. Giovannini sammenligner de langsomme fotonene med syklister som faller tilbake gjennom feltet i Tour de France uten at feltets samlede hastighet reduseres.

5. Raskeste lydbølge

Partikler universets fartsgrenser - hydrogenmetall

Mellom to diamantspisser kan hydrogen utsettes for så stort trykk at det blir til fast hydrogenmetall.

© Max Alexander/SPL

Lydens hastighet når toppen i hydrogenmetall

0,012 prosent av lysets hastighet

Lydbølger sprer seg ved å sette atomer i bevegelse. Lyden er langsomst i gasser, raskere i væsker og raskest i faste stoffer. Jo hardere og stivere stoffet er, jo raskere ruller lyden gjennom det. Rekorden er målt i diamanter, der lyden kommer opp i 12 000 m/s.

Nå har Kostya Trachenko ved Queen Mary University of London fastslått teoretisk at lyd, akkurat som lys, har en maksimal hastighet som ikke kan overskrides. Forutsigelsen bygger på målinger av lydens hastighet i 130 faste stoffer. Målingene viser at farten avhenger av massen til atomene i et stoff.

Jo lettere atomer, jo raskere går lydbølgene. Derfor vil lydens hastighet nå toppen, 36 000 m/s, i fast hydrogenmetall, som består av universets letteste atomer.

Fysikere arbeider for å produsere hydrogenmetall ved å presse hydrogen sammen i diamanttrykkceller. Hvis det lykkes, kan lydens topphastighet testes.

6. Langsomste atomer

Partikler universets fartdgrenser - Cold Atom Laboratory

I den såkalte Cold Atom Lab på romstasjonen ISS kan atomer kjøles nesten helt ned til nullpunktet.

© JPL-Caltech/NASA

Atomer settes nesten helt i stå

0,00000667 prosent av lysets hastighet

Varme skapes av atomer i bevegelse. Jo saktere atomene beveger seg, jo kaldere er gassen.

Det absolutte nullpunktet inntreffer ved minus 273,15 grader. Her burde atomene ifølge den klassiske fysikken stå stille, bortsett fra rotasjonen, men kvantemekanikken får noe annet til å skje.

Atomenes fart i en gass reduseres gradvis ved synkende temperaturer ned til 200 milliondeler av en grad over nullpunktet, der atomenes hastighet er 20 centimeter per sekund eller 0,00000667 prosent av lysets hastighet.

Men ved ytterligere nedkjøling mister atomene identiteten sin som partikler og blir til en kollektiv kvantebølge, en atomsky som sprer seg som ringer i vann. Det kalles et Bose-Einstein-kondensat.

Tilstanden varer bare noen få millisekunder, før tyngdekraften får atomskyen til å falle ned på bunnen av forsøkskammeret slik at den varmes opp. Det gjør det vanskelig å undersøke det absolutte nullpunktet på jorden, og derfor har forsøkene nå flyttet ut til Den internasjonale romstasjonen.

I forsøk på Den internasjonale romstasjonen fanges atomer i en magnetisk felle og kjøles ned til rett over det absolutte nullpunktet.

Partikler universets fartsgrenser - laserstråler kjøler atomer
© Claus Lunau

1. Laserstråler fryser bevegelser

Et magnetfelt holder en gass av atomer svevende i et vakuumkammer. Laserstråler bremser atomene og avkjøler dem til 100 milliondeler av en grad over nullpunktet. Den kalde gassen overføres til en såkalt atombrikke i toppen av kammeret.

Partikler universets fartgrænser Bose-Einstein-kondensat
© Claus Lunau

2. Radiobølger fjerner varme atomer

Radiobølger skyver de varmeste atomene ut av gassen, som når man blåser på varm te. Det senker temperaturen til noen få milliarddeler av en grad over nullpunktet, der gassen gjøres om til en atomsky, et såkalt Bose-Einstein-kondensat.

Partikler universets fartgrænser - vægtløs udvidelse
© Claus Lunau

3. Vektløs utvidelse kjøler ned skyen

Det magnetiske grepet til brikken svekkes, og atomskyen utvider seg i vektløsheten. Da avkjøles den ytterligere, som gass som strømmer ut av en sprayboks. Utvidelsen skal sette kulderekord med 20 billiondeler av en grad over nullpunktet.

I 2020 lyktes det å komme ned i 200 billiondeler av en grad over nullpunktet i Nasas såkalte Cold Atom Laboratory. Neste trinn blir å komme helt ned i 20 billiondeler av en grad over nullpunktet og opprettholde tilstanden i fem sekunder. Det vil gjøre det mulig å undersøke hvordan ultrakalde atomer oppfører seg rett over det absolutte nullpunktet.