I flere forsøg har fysikerne i de senere år nærmet sig og sågar udfordret universets hastighedsgrænser. Forskere har bl.a. vist, at partikler i teorien kan overhale lys, og målt det ekstremt korte tidsrum, en foton er om at passere et brintmolekyle.

Det er det såkaldte higgsfelt, der sætter den fysiske grænse for, hvor hurtigt partikler kan bevæge sig.

Feltet er spændt ud i rummet som en slags spindelvæv, partiklerne bliver fanget i, og giver alle de atomare byggesten deres masser. Jo stærkere en partikel kobler sig til feltet, jo tungere bliver den.

Kvarker, som opbygger protonerne og neutronerne i atomkerner, kobler sig stærkt til massefeltet og er tunge. Elektroner og neutrinoer har en svagere kobling og er derfor lettere.

Koblingens styrke bestemmer partiklernes topfart. Det kosmiske spindelvæv klæber stærkest til tunge partikler og sinker dem mere end lette partikler.

Fordi lyspartikler, fotoner, er masseløse, mærker de ikke higgsfeltet. Derfor spurter lyset afsted med 299.792.458 m/s, der er universets fartgrænse. Men i den sære kvanteverden kan partikler overhale lyset i såkaldte kvantetunneller.

1. Hurtigste partikler

Partikler universets fartgrænser - rubidium

Rubidiumatomer har passeret en kvantetunnel i forsøg. Her ses stoffet i delvist smeltet form.

© Dennis SK

Partikler skyder genvej gennem en tunnel

> 100 pct. af lysets hastighed

En bold, der støder mod en mur, bliver kastet tilbage, men partikler passerer i nogle tilfælde lige igennem. Fænomenet kaldes en kvantetunnel, og turen gennem tunnellen kan teoretisk set tage kortere tid, end partiklen ville bruge på at tilbagelægge den samme strækning i vakuum.

Måske vil partikler endda kunne overhale lyset ved at skyde genvej gennem en kvantetunnel. Det har et nyt eksperiment udført af fysikere fra University of Toronto i Canada leveret det hidtil stærkeste indicium på.

Forskerne brugte ultrakolde rubidiumatomer, som langsomt drev ind imod en magnetisk barriere med en bredde på 1,3 mikrometer. Nogle af atomerne passerede barrieren gennem kvantetunneller.

Forskere har fået rubidiumatomer til at passere en magnetisk barriere hurtigere, end de ville kunne tilbagelægge samme strækning i vakuum. Atomernes hastighed blev målt ud fra deres rotationsretning.

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

1. Atomernes rotation ensrettes

Alle atomer roterer omkring sig selv (pil). Ved hjælp af et magnetfelt ensrettede fysikerne omkring 8000 rubidiumatomer i en ultrakold gas, så deres rotationsakse vendte præcis samme vej.

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

2. Kvantetunneller skaber passage

Atomerne drev derpå hen imod en magnetisk barriere. De fleste af atomerne blev kastet tilbage som bolde mod en mur, men nogle af dem smuttede gennem barrieren via såkaldte kvantetunneller.

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

3. Rotation viser atomernes fart

Jo længere tid passagen varer, jo mere ændres retningen af atomernes rotationsakse. Målinger af akserne viste, at atomerne passerede barrieren med højere fart, end hvis den ikke havde været der.

Målinger af kvantefænomener er altid omgærdet med usikkerhed, men forsøget var nøjagtigt nok til at vise, at atomerne i gennemsnit brugte 0,61 millisekunder på turen gennem tunnellen. Ifølge forskergruppens leder, Aephraim Steinberg, er det hurtigere, end de ville kunne tilbagelægge den samme strækning i vakuum.

Rejsetiden gennem en kvantetunnel stiger ikke ret meget, selvom barrieren gøres bredere. Derfor vurderer Steinberg, at en tilstrækkelig lang kvantetunnel gennem en tyk barriere vil accelerere atomer op til en fart, der overskrider lysets hastighed.

2. Første simultanmåling

Partikler universets fartgrænser - Virgo-Aerial-View

Virgo-detektoren i Italien opfangede tyngdebølgerne fra et sammenstød mellem to neutronstjerner.

© Virgo Coll

Tyngdekraften løber om kap med lyset

100 pct. af lysets hastighed

Einsteins generelle relativitetsteori forudsiger, at tyngdebølger ruller gennem rummet med præcis lysets hastighed. I 2017 kunne fysikerne for første gang teste, om den forudsigelse holder stik.

Tyngdebølger er krusninger i rummet, der opstår ved store kosmiske begivenheder – som da to neutronstjerner for 130 millioner år siden stødte sammen i Mælkevejen og blev til et sort hul. Selvom de kun måler 20 km i diameter, rummer neutronstjerner mere masse end Solen, og under sammenstødet mellem de to massive stjerner blev der både udsendt tyngdebølger og lys i form af et gammaglimt.

Da signalerne nåede frem til Jorden, lykkedes det for første og hidtil eneste gang at registrere begge dele samtidig. Tyngdebølgerne blev opdaget af to detektorer i USA og en i Europa, mens gammaglimtet simultant blev fanget af NASA’s satellit Fermi.

Partikler universets fartgrænser - tyngdebølger

En kosmisk kollision for 130 mio. år siden udsendte lys (gammaglimt) og tyngdebølger.

© GSFC/NASA

Til forskernes overraskelse nåede tyngdebølgerne frem 1,7 sekunder før gammaglimtet. Umiddelbart så tyngdebølgerne ud til at have overhalet lyset, men forskerne mener, at den minimale tidsforskel på under to sekunder over 130 millioner år har andre årsager.

Enten blev gammaglimtet udsendt fra det indre af de kolliderende neutronstjerner, så tyngdebølgerne fra overfladen fik et forspring, eller også blev lyset forsinket en smule af en tæt sky af gas, som blev udsendt ved sammenstødet. Einstein er altså ikke modbevist endnu.

3. Korteste tidsrum

Partikler universets fartgrænser - Petra-III

Fysikere brugte den tyske røntgenlaser Petra III til at måle den tid, det tager en lyspartikel at krydse et brintmolekyle.

© Heiner Müller-Elsner/DESY

Forskere måler lysets vej gennem et molekyle

100 pct. af lysets hastighed

De hurtigste kemiske reaktioner sker på milliontedele af en milliardtedel af et sekund. Gennem de seneste to årtier har forskerne udviklet lasere, som blinker hurtigt nok til at måle reaktionerne, mens de finder sted.

Nu har tyske fysikere under ledelse af Reinhardt Dörner fra Goethe University Frankfurt registreret et endnu kortere tidsrum. Det måles i zeptosekunder – det vil sige i billiontedele af en milliardtedel af et sekund.

Fysikerne brugte røntgenlaseren Petra III i Hamborg til at måle, hvor lang tid en lyspartikel er om at krydse gennem et brintmolekyle, verdens mindste molekyle, som har et tværsnit på 120 billiontedele af en meter. Brintmolekylet indeholder to protoner (blå) og to elektroner.

Partikler universets fartgrænser - lysets vej

Ved at sende en lyspartikel gennem et brintmolekyle og studere de resulterende bølger (interferensmønsteret) målte forskerne det hidtil korteste tidsrum.

© Shutterstock & Lotte Fredslund

Fysikerne beskød molekylet med individuelle røntgenfotoner. Fotonen (gul pil) bevægede sig gennem molekylet med lysets hastighed og sparkede først den ene elektron og så den anden ud af elektronskyen (grå) omkring de to protoner.

Uden for skyen blev elektronerne til bølger, der ramte hinanden som ringe i vandet og dannede et interferensmønster (rødt). Ud fra mønsteret kunne forskerne beregne, præcis hvor lang tid der gik mellem, at fotonen ramte den første og den anden elektron.

Målingerne viste, at røntgenfotonen fløj gennem brintmolekylet på 247 billiontedele af en milliardtedel sekund – eller 247 zeptosekunder. Det er det korteste tidsrum, som nogensinde er målt.

4. Langsomste lys

Partikler universets fartgrænser - fotoners bølgeform

Forskere har ændret fotoners bølgeform (tv.) og derved sænket lyshastigheden i vakuum.

© University of Glasgow & Heriot-Watt University

Omformede lyspartikler falder bagud i feltet

99,999 pct. af lysets hastighed

Lysets hastighed i vakuum regnes normalt for en konstant, men i forsøg har forskere nu fået lyspartikler til at bevæge sig 0,001 pct. langsommere end normalt.

Når lys bevæger sig gennem transparente medier som glas eller vand, brydes lysbølgerne, og deres fart nedsættes i forhold til tophastigheden i vakuum, som er 299.792.458 m/s; fx falder lysets hastighed til 224.844.344 m/s i vand.

Den danske fysiker Lene Hau fra Harvard University i USA skabte sensation, da hun i 1999 sænkede lysbølgers fart helt ned til 17 m/s ved at sende dem gennem en ultrakold gas. Men den ultimative eksperimentelle udfordring er at sænke lysets hastighed i vakuum, og her har Jacquiline Romero og Daniel Giovannini fra University of Glasgow i Skotland opnået de hidtil bedste resultater.

Forskerne producerede lyspartikler i par og skilte dem ad med en prisme, inden de blev sendt gennem en meterlang racerbane i vakuum. Ved indgangen til banen passerede den ene foton en maske – en hullet plade – som ændrede dens form. Det kan lade sig gøre, fordi lyspartiklen takket være kvantemekanikkens sære love både er en partikel og en bølge.

Bølgen kom til at ligne en dartskive (tv.), og de omformede fotoner mistede derved 0,001 procent af deres hastighed på turen gennem racerbanen i forhold til de uændrede fotoner (th.).

Lyspulsen som helhed spurtede imidlertid gennem banen med lysets sædvanlige tophastighed i vakuum. Giovannini sammenligner de langsomme fotoner med cykelryttere, der falder tilbage gennem feltet i Tour de France, uden at feltets samlede hastighed reduceres.

5. Hurtigste lydbølge

Partikler universets fartgrænser - brintmetal

Mellem to diamantspidser kan brint udsættes for så stort tryk, at den bliver til fast brintmetal.

© Max Alexander/SPL

Lydens hastighed topper i brintmetal

0,012 pct. af lysets hastighed

Lydbølger udbreder sig ved at sætte atomer i svingninger. Lyden er langsomst i gasser, hurtigere i væsker og hurtigst i faste stoffer. Jo hårdere og stivere stoffet er, jo hurtigere ruller lyden gennem det. Rekorden er målt i diamanter, hvor lyden når op på 12.000 m/s.

Nu har Kostya Trachenko fra Queen Mary University of London fastslået teoretisk, at lyd ligesom lys har en maksimal topfart, som ikke kan overskrides. Forudsigelsen bygger på målinger af lydens hastighed i 130 faste stoffer, som viser, at farten påvirkes af massen af de atomer, et materiale består af.

Jo lettere atomer, jo hurtigere løber lydbølgerne. Derfor vil lydens hastighed toppe i fast brintmetal, som består af universets letteste atomer, med en hastighed på 36.000 m/s.

Fysikere arbejder på at fremstille brintmetal ved at presse brint sammen i diamanttrykceller. Hvis det lykkes, kan lydens tophastighed testes.

6. Langsomste atomer

Partikler universets fartgrænser - Cold Atom Laboratory

I det såkaldte Cold Atom Lab på rumstationen ISS kan atomer ned­køles til tæt på nulpunktet.

© JPL-Caltech/NASA

Atomer sættes næsten helt i stå

0,00000667 pct. af lysets hastighed

Varme skabes af atomer i bevægelse. Jo langsommere atomerne bevæger sig, jo koldere er gassen.

Det absolutte nulpunkt indtræffer ved minus 273,15 grader. Her burde atomerne ifølge den klassiske fysik stå stille bortset fra deres rotation, men kvantemekanikken får noget andet til at ske.

Atomernes fart i en gas reduceres gradvist ved faldende temperaturer ned til 200 milliontedele af en grad over nulpunktet, hvor atomernes hastighed er 20 cm/s eller 0,00000667 pct. af lysets hastighed.

Men ved yderligere nedkøling mister atomerne deres identitet som partikler og bliver til en kollektiv kvantebølge, en atomsky, der udbreder sig som ringe i vand. Det kaldes et Bose-Einstein-kondensat.

Tilstanden varer blot få millisekunder, indtil tyngdekraften får atomskyen til at falde ned på bunden af forsøgskammeret, så den opvarmes. Det gør det svært at undersøge det absolutte nulpunkt på Jorden, og derfor er forsøgene nu flyttet ud på Den Internationale Rumstation, ISS.

I forsøg på rumstationen ISS fanges atomer i en magnetisk fælde og nedkøles til lige over det absolutte nulpunkt.

Partikler universets fartgrænser - laserstråler nedkøler atomer
© Claus Lunau

1. Laserstråler fryser bevægelser

Et magnetfelt holder en gas af atomer svævende i et vakuumkammer. Laserstråler bremser atomerne og afkøler dem til 100 milliontedele af en grad over nulpunktet. Den kolde gas overføres til en såkaldt atomchip i toppen af kammeret.

Partikler universets fartgrænser Bose-Einstein-kondensat
© Claus Lunau

2. Radiobølger fjerner varme atomer

Radiobølger skubber de varmeste atomer ud af gassen, som når man puster på varm te. Det sænker temperaturen til få milliardtedele af en grad over nulpunktet, hvor gassen omdannes til en atomsky, et såkaldt Bose-Einstein-kondensat.

Partikler universets fartgrænser - vægtløs udvidelse
© Claus Lunau

3. Vægtløs udvidelse nedkøler skyen

Chippens magnetiske greb svækkes, og atomskyen udvider sig i vægtløsheden. Det afkøler den yderligere som gas, der sprøjter ud af en spraydåse. Udvidelsen skal sætte kulderekord med 20 billiontedele af en grad over nulpunktet.

I 2020 lykkedes det at nå ned på 200 billiontedele af en grad over nulpunktet i NASA’s såkaldte Cold Atom Laboratory. Næste trin bliver at nå helt ned på 20 billiontedele af en grad over nulpunktet og opretholde tilstanden i fem sekunder. Det vil gøre det muligt at undersøge, hvordan ultrakolde atomer opfører sig lige over det absolutte nulpunkt.