Что быстрее скорости света: Нейтрино движется быстрее скорости света! — ФПФЭ

Нейтрино движется быстрее скорости света! — ФПФЭ

В пятницу 23 сентября в архиве электронных препринтов появилась статья коллаборации OPERA, посвященная прямому измерению скорости движения нейтрино. Результаты звучат сенсационно: скорость нейтрино оказалась слегка — но статистически достоверно! — больше скорости света. Статья коллаборации содержит анализ разнообразных источников погрешностей и неопределенностей, однако реакция подавляющего большинства физиков остается очень скептической, прежде всего потому, что такой результат не согласуется с другими экспериментальными данными по свойствам нейтрино.


Рис. 1. Общий вид той части ЦЕРНа, где протонный пучок выводится из ускорителя SPS и порождает нейтринный пучок, летящий в направлении лаборатории Гран-Сассо. Изображение из обсуждаемой статьи

Подробности эксперимента

Идея эксперимента (см. OPERA experiment) очень проста. Нейтринный пучок рождается в ЦЕРНе, летит сквозь Землю в итальянскую лабораторию Гран-Сассо и проходит там сквозь специальный нейтринный детектор OPERA. Нейтрино очень слабо взаимодействуют с веществом, но из-за того, что их поток из ЦЕРНа очень велик, некоторые нейтрино всё же сталкиваются с атомами внутри детектора. Там они порождают каскад заряженных частиц и тем самым оставляют в детекторе свой сигнал. Нейтрино в ЦЕРНе рождаются не непрерывно, а «всплесками», и если мы знаем момент рождения нейтрино и момент его поглощения в детекторе, а также расстояние между двумя лабораториями, мы можем вычислить скорость движения нейтрино.

Расстояние между источником и детектором по прямой составляет примерно 730 км и измерено оно с точностью 20 см (точное расстояние между реперными точками составляет 730 534,61 ± 0,20 метров). Правда, процесс, приводящий к рождению нейтрино, вовсе не локализован с такой точностью. В ЦЕРНе пучок протонов высокой энергии вылетает из ускорителя SPS, сбрасывается на графитовую мишень и порождает в ней вторичные частицы, в том числе мезоны. Они по-прежнему летят вперед с околосветовой скоростью и на лету распадаются на мюоны с испусканием нейтрино. Мюоны тоже распадаются и порождают дополнительные нейтрино. Затем все частицы, кроме нейтрино, поглощаются в толще вещества, а те беспрепятственно долетают до места детектирования. Общая схема этой части эксперимента приведена на рис. 1.

Весь каскад, приводящий к появлению нейтринного пучка, может растянуться на сотни метров. Однако поскольку все частицы в этом сгустке летят вперед с околосветовой скоростью, для времени детектирования нет практически никакой разницы, родилось нейтрино сразу или через километр пути (однако имеет большое значение, когда именно тот исходный протон, который привел к рождению данного нейтрино, вылетел из ускорителя). В результате рожденные нейтрино по большому счету просто повторяют профиль исходного протонного пучка. Поэтому ключевым параметром здесь является именно временной профиль пучка протонов, вылетающих из ускорителя, в особенности — точное положение его переднего и заднего фронтов, а этот профиль измеряется с хорошим временным разрешением (см. рис. 2).


Рис. 2. Типичный профиль интенсивности протонного пучка, вылетающего из ускорителя SPS. Справа показана наносекундная структура пучка. Время на этом графике «течет» слева направо. Изображение из обсуждаемой статьи

Каждый сеанс сброса протонного пучка на мишень (по-английски такой сеанс называется spill, «выплеск») длится примерно 10 микросекунд и приводит к рождению огромного числа нейтрино. Однако практически все они пролетают Землю (и детектор) насквозь без взаимодействия. В тех же редких случаях, когда детектор всё-таки регистрирует нейтрино, невозможно сказать, в какой именно момент в течение 10-микросекундного интервала оно было испущено. Анализ можно провести лишь статистически, то есть накопить много случаев детектирования нейтрино и построить их распределение по временам относительно момента начала отсчета для каждого сеанса. В детекторе за начало отсчета принимается тот момент времени, когда условный сигнал, движущийся со скоростью света и излученный ровно в момент переднего фронта протонного пучка, достигает детектора. Точное измерение этого момента стало возможно благодаря синхронизации часов в двух лабораториях с точностью в несколько наносекунд.


Рис. 3. Распределение моментов регистрации нейтрино относительно условного начала отсчета. По горизонтальной оси показано время в наносекундах, по вертикальной — количество нейтринных событий с такой задержкой по времени. Красная линия показывает гипотетический «опорный» сигнал. Изображение из обсуждаемой статьи

На рис. 3 показан пример такого распределения. Черные точки — это реальные нейтринные данные, зарегистрированные детектором и просуммированные по большому числу сеансов. Красная кривая показывает условный «опорный» сигнал, который двигался бы со скоростью света. Видно, что данные начинаются примерно на 1048,5 нс раньше опорного сигнала. Это, впрочем, еще не означает, что нейтрино действительно на микросекунду опережает свет, а является лишь поводом для того, чтобы тщательно перемерить все длины кабелей, скорости срабатывания аппаратуры, времена задержки электроники и так далее. Эта перепроверка была выполнена, и оказалось, что она смещает «опорный» момент на 988 нс. Таким образом, получается, что нейтринный сигнал действительно обгоняет опорный, но лишь примерно на 60 наносекунд. В пересчете на скорость нейтрино это отвечает превышению скорости света примерно на 0,0025%.

Погрешность этого измерения была оценена авторами анализа в 10 наносекунд, что включает в себя и статистическую, и систематическую погрешности. Таким образом, авторы утверждают, что они «видят» сверхсветовое движение нейтрино на уровне статистической достоверности в шесть стандартных отклонений.

Отличие результатов от ожиданий на шесть стандартных отклонений уже достаточно велико и называется в физике элементарных частиц громким словом «открытие». Однако надо правильно понимать это число: оно лишь означает, что вероятность статистической флуктуации в данных очень мала, но не говорит о том, насколько надежна методика обработки данных и насколько хорошо физики учли все инструментальные погрешности. В конце концов, в физике элементарных частиц имеется немало примеров, когда необычные сигналы с исключительно большой статистической достоверностью не подтверждались другими экспериментами.

Чему противоречат сверхсветовые нейтрино?

Вопреки широко распространенному мнению, специальная теория относительности не запрещает само по себе существование частиц, движущихся со сверхсветовой скоростью. Однако для таких частиц (их обобщенно называют «тахионы») скорость света тоже является пределом, но только снизу — они не могут двигаться медленнее нее. При этом зависимость энергии частиц от скорости получается обратной: чем больше энергия, тем ближе скорость тахионов к скорости света.

Гораздо более серьезные проблемы начинаются в квантовой теории поля. Эта теория приходит на смену квантовой механике, когда речь идет про квантовые частицы с большими энергиями. В этой теории частицы — это не точки, а, условно говоря, сгустки материального поля, и рассматривать их отдельно от поля нельзя. Оказывается, что тахионы понижают энергию поля, а значит, делают вакуум нестабильным. Пустоте тогда выгоднее спонтанно рассыпаться на огромное число этих частиц, и потому рассматривать движение одного тахиона в обычном пустом пространстве просто бессмысленно. Можно сказать, что тахион — это не частица, а нестабильность вакуума.

В случае тахионов-фермионов ситуация несколько сложнее, но и там тоже возникают сравнимые трудности, мешающие созданию самосогласованной тахионной квантовой теории поля, включающей обычную теорию относительности.

Впрочем, это тоже не последнее слово в теории. Так же, как экспериментаторы измеряют всё, что поддается измерению, теоретики тоже проверяют все возможные гипотетические модели, которые не противоречат имеющимся данным. В частности, существуют теории, в которых допускается небольшое, не замеченное пока отклонение от постулатов теории относительности — например, скорость света сама по себе может быть переменной величиной. Прямой экспериментальной поддержки у таких теорий пока нет, но они пока и не закрыты.

Под этой краткой зарисовкой теоретических возможностей можно подвести такой итог: несмотря на то что в некоторых теоретических моделях движение со сверхсветовой скоростью возможно, они остаются исключительно гипотетическими конструкциями. Все имеющиеся на сегодня экспериментальные данные описываются стандартными теориями без сверхсветового движения. Поэтому если бы оно достоверно подтвердилось хоть для каких-нибудь частиц, квантовую теорию поля пришлось бы кардинально переделывать.

Стоит ли считать результат OPERA в этом смысле «первой ласточкой»? Пока нет. Пожалуй, самым главным поводом для скепсиса остается тот факт, что результат OPERA не согласуется с другими экспериментальными данными по нейтрино.

Во-первых, во время знаменитой вспышки сверхновой SN1987A были зарегистрированы и нейтрино, которые пришли за несколько часов до светового импульса. Это не означает, что нейтрино шли быстрее света, а лишь отражает тот факт, что нейтрино излучаются на более раннем этапе коллапса ядра при вспышке сверхновой, чем свет. Однако раз нейтрино и свет, проведя в пути 170 тысяч лет, не разошлись более, чем на несколько часов, значит, скорости у них очень близки и различаются не более чем на миллиардные доли. Эксперимент же OPERA показывает в тысячи раз более сильное расхождение.

Тут, конечно, можно сказать, что нейтрино, рождающиеся при вспышках сверхновых, и нейтрино из ЦЕРНа сильно различаются по энергии (несколько десятков МэВ в сверхновых и 10–40 ГэВ в описываемом эксперименте), а скорость нейтрино меняется в зависимости от энергии. Но это изменение в данном случае работает в «неправильную» сторону: ведь чем выше энергия тахионов, тем ближе их скорость должна быть к скорости света. Конечно, и тут можно придумать какую-то модификацию тахионной теории, в которой эта зависимость была бы совсем другой, но в таком случае придется уже обсуждать «дважды-гипотетическую» модель.

Далее, из множества экспериментальных данных по нейтринным осцилляциям, полученным за последние годы, следует, что массы всех нейтрино отличаются друг от друга лишь на доли электронвольта. Если результат OPERA воспринимать как проявление сверхсветового движения нейтрино, то тогда величина квадрата массы хотя бы одного нейтрино будет порядка –(100 МэВ)2 (отрицательный квадрат массы — это и есть математическое проявление того, что частица считается тахионом). Тогда придется признать, что все сорта нейтрино — тахионы и обладают примерно такой массой. С другой стороны, прямое измерение массы нейтрино в бета-распаде ядер трития показывает, что масса нейтрино (по модулю) не должна превышать 2 электронвольта. Иными словами, все эти данные согласовать друг с другом не удастся.

Вывод отсюда можно сделать такой: заявленный результат коллаборации OPERA трудно вместить в какие-либо, даже в самые экзотические теоретические модели.

Что дальше?

Во всех больших коллаборациях в физике элементарных частиц нормальной практикой является ситуация, когда каждый конкретный анализ выполняется небольшой группой участников, и лишь затем результаты выносятся на общее обсуждение. В данном случае, по-видимому, этот этап был слишком кратким, в результате чего далеко не все участники коллаборации согласились подставить свою подпись под статьей (полный список насчитывает 216 участников эксперимента, а у препринта имеется лишь 174 автора). Поэтому в ближайшее время, по всей видимости, внутри коллаборации будет проведено множество дополнительных проверок, и только после этого статья будет послана в печать.

Конечно, сейчас можно ожидать и поток теоретических статей с разнообразными экзотическими объяснениями этого результата. Однако пока заявленный результат не будет надежно перепроверен, считать его полноправным открытием нельзя.

Источник

  • Элементы

Можно ли двигаться быстрее скорости света или нет?

Можно ли двигаться быстрее скорости света или нет? Ответ — нет. Универсальный предел скорости, который мы обычно называем скоростью света, является фундаментальным для того, как работает Вселенная.

Трудно представить себе это, если вы никогда не слышали об этом раньше, но ученые обнаружили, что чем быстрее вы движетесь, тем больше сжимается ваше пространственное измерение в прямом направлении и тем медленнее идут ваши часы при просмотре со стороны внешнего наблюдателя. Другими словами, пространство и время не являются фиксированным фоном, на котором все происходит так же, как и всегда. Вместо этого пространство и время могут искривляться.

Если вы посмотрите на уравнения, которые лежат в основе теорий относительности Эйнштейна, вы обнаружите, что по мере приближения к скорости света ваше пространственное измерение в прямом направлении сжимается до нуля, а ваши часы замедляются до остановки.

Система отсчета с нулевой длиной и без прогрессии во времени на самом деле является системой отсчета, которой не существует. Следовательно, это говорит нам о том, что ничто не может двигаться быстрее скорости света по той простой причине, что пространство и время фактически не существуют за пределами этой точки.

Поскольку понятие «скорость» требует измерения определенного расстояния, пройденного в пространстве за определенный период времени, понятие скорости даже физически не существует за пределами скорости света. На самом деле словосочетание «быстрее света» физически бессмысленно.

Вы можете сказать, что теории относительности Эйнштейна ошибочны. Однако в настоящее время существует так много свидетельств, подтверждающих относительность, что, если они ошибочны, они должны будут ошибаться в незначительной степени, не изменяющей эти основные принципы.

Однако, ограничение, заключающееся в том, что ничто не может двигаться быстрее света, не является всеобщим, как кажется.

Более точная формулировка принципа такова: «ничто не может локально перемещаться быстрее света». Это означает, что мы действительно можем достичь эффективных скоростей, превышающих скорость света, если мы будем использовать нелокальные масштабы.

Например, если червоточины существуют, мы можем  использовать их, чтобы сократить путь от Земли к Альфе Центавра. По сравнению с небольшим количеством света, который прошел от Земли к Альфе Центавра и не прошел через червоточину, вы бы путешествовали быстрее.

Другими словами, вы бы первыми достигли звезды. Это разрешено, потому что вы никогда не превышали локально скорость света. Если другой луч света был направлен от Земли до Альфы Центавра и прошел через червоточину вместе с нами, мы никак не смогли его обогнать.

Другой пример: во Вселенной есть далекие галактики, которые удаляются друг от друга со скоростью, превышающей скорость света.

Но как галактики могут двигаться быстрее скорости света, если ничто не может двигаться быстрее света?

Представьте себе нашу расширяющуюся Вселенную. Это не взрыв из определенного места, когда галактики разлетаются, как части взрыва. Это расширение самого пространства. Нет никакого центра, и Вселенная ни во что не расширяется.

Представьте, что вы находитесь к какой-то галактике, и по мере того, как Вселенная расширяется, вы видите, как все другие галактики удаляются от вас. И если бы вы перелетели в любую другую галактику, вы бы увидели, что все остальные все равно удаляются от вас.

Вот что интересно: более далекие галактики удаляются от нас быстрее. Чем дальше находится галактика, тем быстрее она удаляется от нас.

Об этом говорит Постоянная Хаббла — идея о том, что на каждый мегапарсек расстояния между нами и далекой галактикой скорость, разделяющая нас, увеличивается примерно на 71 километр в секунду.

Галактики, разделенные двумя мегапарсеками, увеличат свою скорость до 142 километров в секунду. Как только вы выйдете на расстояние 4200 мегапарсек, две галактики будут улетать друг от друга со скоростью, превышающей скорость света.

Самый первый в истории свет, космическое микроволновое фоновое излучение, удалено от нас на 46 миллиардов световых лет во всех направлениях. 4200 мегапарсек — это немногим более 13,7 миллиардов световых лет. Но следует понимать, что есть очень много пространства для объектов, которые находятся на расстоянии более 4200 мегапарсек друг от друга.

То есть большая часть видимой нам Вселенной уже улетает со скоростью, превышающей скорость света. Но как можно увидеть свет от любых галактик, движущихся быстрее скорости света. Как мы вообще можем увидеть космическое микроволновое фоновое излучение?

Свет, излучаемый галактиками, движется к нам, в то время как сама галактика удаляется от нас, поэтому фотоны, испускаемые всеми звездами галактики, все еще могут достигать нас.

Эти длины волн света растягиваются и скользят дальше в красный конец спектра, уходя в инфракрасные, микроволновые и даже радиоволны. Со временем фотоны растянутся так далеко, что мы вообще не сможем обнаружить галактику.

В далеком будущем все галактики и все излучение, которое мы видим сегодня, исчезнут, и их вообще нельзя будет обнаружить. Астрономы далекого будущего не будут знать, что когда-либо был Большой взрыв или что-то есть за пределами нашей местной группы галактик.

Существует ли нечто, способное передвигаться быстрее скорости света?

В сентябре 2011 года  физик Антонио Эредитато потряс мир, сделав заявление, которое могло перевернуть наше понимание Вселенной. Согласно данным, собранным 160 учеными, работающими над проектом OПЕРА, было сделано заявление, что частицы «нейтрино» движутся быстрее света. Но это, согласно теории относительности Эйнштейна, невозможно.  Несмотря на то, что физик Эредитато и его команда «доверяют» своему результату, они не утверждали, что результат  был абсолютно точным. Напротив, они попросили других ученых помочь им разобраться в том, что происходит. 

Последствия такого открытия  могли быть невероятными, что могло повлечь за собой пересмотр самих основ физики. Но в итоге выяснилось, что результат проекта ОПЕРЫ был неверным.  Проблема синхронизации была вызвана плохо подключенным кабелем, который должен был передавать точные сигналы от спутников GPS. Произошла неожиданная задержка сигнала. Как следствие, измерения того, сколько времени потребовалось нейтрино для прохождения данного расстояния, были отключены примерно на 73 наносекунды, из-за чего все выглядело так, будто они просвистели быстрее, чем это сделал свет.

Несмотря на месяцы тщательных проверок перед экспериментом и обильной двойной проверкой данных впоследствии, на этот раз ученые ошиблись. Физик Эредитато подал в отставку, хотя многие отмечали, что подобные ошибки все время случаются в чрезвычайно сложном механизме ускорителей частиц.

Почему предположение,  что нечто может двигаться быстрее света, вызвало такой ажиотаж?  И действительно ли мы уверены в том, что ничто не способно преодолеть этот показатель?

Давайте сначала рассмотрим второй из этих вопросов. Скорость света в вакууме составляет 299 792 458 км / с, что немного похоже на круглую цифру в 300 000 км / с. Это весьма быстро. Солнце находится на расстоянии 150 миллионов километров от Земли, и свету требуется всего восемь минут и 20 секунд, чтобы пройти этот путь.

Может ли какое-либо из наших «творений» конкурировать в гонке со светом? К примеру, один из самых быстрых когда-либо созданных человеком объектов — зонд New Horizons, предназначенный для изучения Плутона и его естественного спутника Харона (запуск осуществлён 19 января 2006 года) достиг скорости относительно Земли чуть более 16 км / с, что значительно ниже 300 000 км / с.

Тем не менее, ученые заставили крошечные частицы путешествовать намного быстрее. В начале 1960-х годов Уильям Бертоцци из Массачусетского технологического института экспериментировал с ускорением электронов с большими скоростями. Поскольку у электронов есть отрицательный заряд, то возможно продвинуть или, скорее, «оттолкнуть» их, применяя тот же самый отрицательный заряд к материалу. Чем больше приложенной энергии, тем быстрее электроны будут ускоряться.

Вы могли бы себе представить, что вам просто нужно увеличить приложенную энергию, чтобы достичь необходимой скорости 300 000 км / с? Но на практике оказывается, что электроны просто не могут двигаться так быстро. Эксперименты Бертоцци показали, что использование большего количества энергии просто вызывает прямо пропорциональное увеличение скорости электрона. Вместо этого ему нужно было прикладывать все большее количество дополнительной энергии, чтобы хоть немного изменить скорость движения электронов. Они приближались к скорости света, но так и не достигли ее.

Представьте, что вы движетесь к двери небольшими шажками, в каждом из которых вы проходите ровно половину расстояния между вашим текущим положением и дверью. Строго говоря, вы никогда не доберетесь до двери, потому что после каждого вашего шага у вас будет оставаться дистанция, которую нужно преодолеть.  Именно с такой проблемой Бертоцци столкнулся со своими электронами.

Свет состоит из частиц, называемых фотонами. Почему эти частицы могут путешествовать со скоростью света, а такие частицы, как электроны, не могут?

Физик Роджер Рассул из Мельбурнского университета в Австралии говорит о том, что по мере того, как объекты движутся все быстрее и быстрее, они становятся все тяжелее и тяжелее. Чем тяжелее они становятся, тем труднее добиться ускорения, поэтому объекты никогда не достигнут скорости света. «Фотон на самом деле не имеет массы»,— говорит физик. «Если бы он имел массу, он не мог бы двигаться со скоростью света».

Фотоны особенные. У них не только отсутствует масса, что обеспечивает им полную свободу перемещений в космическом вакууме, им еще и разгоняться не нужно. Естественная энергия, которой они располагают, перемещается волнами, как и они, поэтому в момент их создания они уже обладают максимальной скоростью. В некотором смысле проще думать о свете как о энергии, а не как о потоке частиц, хотя, по правде говоря, свет является и тем и другим. Тем не менее, иногда кажется, что свет движется медленнее, чем мы могли бы ожидать. Хотя Интернет-техники любят говорить о коммуникациях, которые работают «на скорости света» в оптоволокне, на самом деле свет проходит через оптоволокно примерно на 40% медленнее, чем через вакуум. 

В действительности фотоны все еще движутся со скоростью 300 000 км / с, но они сталкиваются с некоторой интерференцией, вызванной высвобождением других фотонов из атомов стекла, когда проходит главная световая волна. Это сложная концепция, чтобы описать ее в нескольких предложениях, но ее важно отметить.

Тем не менее, в большинстве своем справедливо говорить о том, что свет движется со скоростью 300 000 км / с. Мы действительно не наблюдали и не создали ничего, что могло бы идти так быстро или даже быстрее. Есть особые моменты, но прежде чем мы их коснемся, давайте затронем другой наш вопрос.Почему так важно, чтобы правило скорости света выполнялось строго? Ответ дан человеком по имени Альберт Эйнштейн. Его теория относительности исследует множество последствий его универсальных пределов скорости.

Одним из важных элементов в теории является идея, что скорость света является постоянной. Независимо от того, где вы находитесь или как быстро вы путешествуете, свет всегда движется с одинаковой скоростью. Но это создает некоторые концептуальные проблемы. Представьте себе свет от факела до зеркала на потолке неподвижного космического корабля. Свет будет светить вверх, отражаться от зеркала и падать на пол космического корабля. Допустим, пройденное расстояние составляет 10 метров. Теперь давайте представим, что космический корабль начинает двигаться с невероятной скоростью, многие тысячи километров в секунду. Когда вы снова зажжете факел, свет все равно будет вести себя как и прежде: он будет светиться вверх, попадать в зеркало и отскакивать, падая на пол. Но чтобы сделать это, свет должен двигаться по диагонали, а не только по вертикали, ведь зеркало теперь быстро движется вместе с космическим кораблем. Поэтому расстояние, которое проходит свет, увеличивается. Давайте представим, что оно увеличилось в целом на 5 м. Это всего 15 м, а не 10 м.

И все же, хотя расстояние увеличилось, теория Эйнштейна настаивает на том, что свет все еще движется с той же скоростью. Поскольку скорость — это расстояние, деленное на время, то для того, чтобы скорость была такой же, при увеличенном расстоянии, время также должно увеличиться. Именно, само время должно возрасти. Это звучит странно, но это было доказано экспериментально. Явление известно как «Релятивистское замедление времени», и означает, что время движется медленнее для людей, путешествующих на быстро движущихся транспортных средствах, по сравнению с теми, кто стоит на месте.

Например, время астронавтов на Международной космической станции, которая движется со скоростью 7,66 км / с относительно Земли, медленнее на 0,007 секунды по сравнению с людьми на планете. А к примеру, для частиц, таких как электроны, упомянутые выше, и которые могут путешествовать близко к скорости света, степень замедления времени может быть большой.

Стивен Колтхаммер, физик-экспериментатор из Оксфордского университета в Великобритании, указывает на пример с частицами, называемыми мюонами. Мюоны нестабильны: они быстро распадаются на более простые частицы. Это происходит  так быстро, что большинство мюонов, покидающих Солнце, по идее должны были распасться к тому времени, когда они достигают Земли. Но в действительности мюоны прибывают на Землю с Солнца в огромных количествах. Физики долгое время пытались понять почему. Ответ на эту загадку заключается в том, что мюоны генерируются с такой энергией, что они движутся со скоростями, очень близкими к скорости света. Так что их «чувство времени», их «внутренние часы» на самом деле работают медленно. Мюоны «остаются в живых» дольше, чем ожидалось, относительно нас, благодаря настоящему, естественному искривлению времени.  

Когда объекты движутся быстро относительно других объектов, их длина также уменьшается. Эти последствия — замедление времени и сокращение длины, являются примерами того, как пространство-время изменяется в зависимости от движения таких вещей, как вы, или я, или космический корабль, обладающих массой.

Важно отметить, что, как сказал Эйнштейн, свет не подвержен такому же влиянию, потому что он не имеет массы. Вот почему эти принципы идут рука об руку. Если бы предметы могли двигаться быстрее света, то «они» бы не подчинялись этим фундаментальным законам, которые описывают, как  работает Вселенная. Это ключевые принципы. 

Теперь мы можем поговорить о нескольких исключениях и отступлениях. 

С одной стороны, хотя мы не видели ничего, что двигалось бы быстрее света, это не означает, что этот предел скорости нельзя теоретически побить в весьма специфических условиях. Взять, к примеру, расширение самой Вселенной. Во Вселенной есть галактики, удаляющиеся друг от друга со скоростью, превышающей скорость света.

Другая интересная ситуация касается частиц, которые разделяют одни и те же свойства в одно и то же время, независимо от того, как далеко находятся друг от друга. Это так называемая «квантовая запутанность». Фотон будет вращаться вверх и вниз, случайно выбирая из двух возможных состояний, но выбор направления вращения будет точно отражаться на другом фотоне где-либо еще, если они запутаны. Поэтому два ученых, каждый из которых изучает свой собственный фотон, получат одинаковые результаты одновременно, быстрее скорости света.

Однако в обоих этих примерах важно отметить, что никакая информация не распространяется быстрее, чем скорость света между двумя объектами. Мы можем рассчитать расширение Вселенной, но мы не можем наблюдать в ней какие-либо объекты, превышающие скорость света: они исчезают из поля зрения. Что касается двух ученых с их фотонами, то, хотя они могли бы достигнуть того же самого результата одновременно, они не могли подтвердить этот факт друг с другом быстрее, чем свет мог путешествовать между ними.

Существует еще один возможный путь, с которым технически возможно путешествие быстрее света: разрывы в самом пространстве-времени, которые позволяют путешественнику избежать правил обычного путешествия.

Физик Джеральд Кливер из Университета Бэйлор в Техасе рассмотрел возможность того, что когда-нибудь мы сможем построить космический корабль со скоростью, превышающей скорость света. Одним из способов сделать это может быть путешествие через «кротову нору» («wormholes»). Это петли в пространстве-времени, полностью соответствующие теориям Эйнштейна, которые могут позволить астронавту перепрыгивать с одной точки Вселенной на другую через аномалию в пространстве-времени, как своего рода космического «короткого пути».

Объект, путешествующий через «кротову нору», не будет превышать скорость света, но теоретически он может достичь определенного пункта назначения быстрее, чем свет, если он пойдет по «нормальному» маршруту. Но «кротовы норы» могут быть недоступны для космических путешествий. 

Может ли быть другой способ активно исказить пространство-время, чтобы двигаться быстрее 300 000 км/c относительно кого-нибудь еще?

Кливер также исследовал идею, известную как «двигатель Алькубьерра», предложенную физиком-теоретиком Мигелем Алькубьерре в 1994 году. Он описал ситуацию, в которой пространство-время сжимается перед космическим аппаратом, толкая его вперед, и расширяется позади него, также толкая его вперед.   Но вопрос о том, как это сделать и сколько энергии это займет – осталось открытым. В 2008 году он и его аспирант Ричард Обоузи подсчитали сколько понадобится энергии: если предположить, что корабль размером примерно 10 х 10 м х 10 м (1000 кубических метров), то количество энергии, которое потребуется для запуска процесса, должно быть порядка всей массы Юпитера.

После этого энергия должна была бы постоянно «подливаться» дополнительно, чтобы процесс не потерпел неудачу. Но никто не знает, как это  возможно сделать, или как будет выглядеть технология для этого. При этом Кливер замечает, что не хочет, чтобы через столетия его неправильно цитировали, потому что он предсказывает, что этого никогда не произойдет. Он на сегодняшний день не видит возможных вариантов решений этого. Таким образом, путешествие быстрее света остается фантастикой на данный момент.

Свет — это не только свет видимый. На самом деле свет — это намного больше. Все, от радиоволн до микроволн, видимого света, ультрафиолетового излучения, рентгеновского излучения и гамма-излучения, испускаемого распадающимися атомами — все эти фантастические лучи состоят из одного и того же материала: фотонов. Разница заключается в энергии, и, следовательно, длине их волны. В совокупности эти лучи составляют электромагнитный спектр. Например, тот факт, что радиоволны распространяются со скоростью света, чрезвычайно полезен для связи.

В своем исследовании другой физик Кольтхаммер строит схему, которая использует фотоны для отправки сигналов из одной части схемы в другую, поэтому он комментирует такого рода полезность удивительной скорости света: «Сам факт того, что мы построили инфраструктуру Интернета, к примеру, а до него и радио, основанную на свете, имеет отношение к легкости, с которой мы можем его передавать». Свет действует как связующая сила для Вселенной.Когда электроны в мобильном телефоне начинают дрожать, фотоны вылетают и приводят к тому, что электроны в другом мобильном телефоне тоже дрожат. Именно этот процесс позволяет  сделать телефонный звонок. 

Дрожь электронов на Солнце также испускает фотоны в огромных количествах, которые образуют свет, дающий жизни на Земле тепло и свет.

Свет — это «радиопередача» Вселенной. Эта скорость — 299 792 458 км / с — остается уверенно постоянной. Между тем пространство-время податливо, и это позволяет каждому испытать одни и те же законы физики, независимо от их положения или движения.

Источник: BBCEarth (http://www.bbc.com/earth/story/20160429-the-real-reasons-nothing-can-ever-go-faster-than-light) 

Вот как физики обманывают частицы, заставляя их двигаться быстрее света

Аргоннская национальная лаборатория

Ничто не может двигаться быстрее скорости света. Когда Эйнштейн сформулировал свою теорию относительности, это был его незыблемый постулат: существует окончательный предел космической скорости, и только безмассовые частицы могут достичь его. Все массивные частицы могли только приблизиться к нему, но никогда не достигли бы его. Скорость света, согласно Эйнштейну, была одинаковой для всех наблюдателей во всех системах отсчета, и никакая форма материи никогда не могла достичь ее.

Но эта интерпретация Эйнштейна упускает важную оговорку: все это верно только в вакууме абсолютно пустого пространства. Через среду любого типа — будь то воздух, вода, стекло, акрил или любой газ, жидкость или твердое тело — свет распространяется с заметно меньшей скоростью. Энергетические частицы, с другой стороны, обязаны двигаться только медленнее, чем скорость света в вакууме, а не скорость света в среде. Используя это свойство природы, мы действительно можем двигаться быстрее света.

Федор Юрчихин / Российское космическое агентство

Представьте себе луч света, идущий прямо от Солнца. В космическом вакууме, если нет никаких частиц или материи, он действительно будет двигаться с предельной космической скоростью 9.0019 c : 299 792 458 м/с, скорость света в вакууме. Хотя человечество произвело чрезвычайно энергичные частицы на коллайдерах и ускорителях — и обнаружило еще более энергичные частицы, исходящие из внегалактических источников — мы знаем, что не можем нарушить этот предел.

На БАК ускоренные протоны могут развивать скорость до 299 792 455 м/с, что всего на 3 м/с ниже скорости света. В LEP, который ускорял электроны и позитроны вместо протонов в том же туннеле ЦЕРНа, который сейчас занимает БАК, максимальная скорость частиц составляла 299 792 457,9964 м / с, что является самой быстрой частицей, когда-либо созданной. А космические лучи с самой высокой энергией мчатся с необычайной скоростью 299 792 457,9999999999999918 м/с, что проиграет гонку с фотоном до Андромеды и обратно всего на шесть секунд.

NASA/Sonoma State University/Aurore Simonnet

Мы можем ускорять частицы материи очень близко к скорости света в вакууме, но никогда не сможем достичь или превысить ее. Однако это не означает, что мы никогда не сможем двигаться быстрее света; это только означает, что мы не можем двигаться быстрее света в вакууме. В медиуме история совершенно другая.

Вы можете убедиться в этом сами, пропустив солнечный луч, падающий на Землю через призму. В то время как свет, движущийся по воздуху, может двигаться со скоростью, настолько близкой к скорости света в вакууме, что его уход незаметен, свет через призму явно искривляется. Это связано с тем, что скорость света значительно падает в более плотной среде: всего ~225 000 000 м/с в воде и всего 197 000 000 м/с в краун-стекле. Эта низкая скорость в сочетании с различными законами сохранения гарантирует, что свет изгибается и рассеивается в среде.

University of Iowa

Это свойство приводит к удивительному предсказанию: возможность того, что вы можете двигаться быстрее света, пока вы находитесь в среде, где скорость света ниже скорости света в вакууме. Например, многие ядерные процессы вызывают испускание заряженных частиц, таких как электрон , в результате синтеза, деления или радиоактивного распада. Хотя эти заряженные частицы могут быть энергичными и быстро движущимися, они никогда не смогут достичь скорости света в вакууме.

Но если вы пропустите эту частицу через среду, пусть даже такую ​​простую, как вода, она внезапно обнаружит, что движется быстрее скорости света в этой среде. Пока эта среда состоит из частиц материи, а частица со скоростью, превышающей скорость света, заряжена, она будет излучать особую форму излучения, характерную для этой конфигурации: черенковское (произносится черенковское) излучение.

Centro Atomico Bariloche, via Pieck Darío

Излучение Черенкова обычно выглядит как голубое свечение и испускается всякий раз, когда заряженная частица движется со скоростью, превышающей скорость света в определенной среде. Чаще всего это можно увидеть, как указано выше, в воде, окружающей ядерные реакторы. Реакции внутри вызывают выброс частиц высокой энергии, которые движутся быстрее света в воде, но значительное количество воды окружает реактор, чтобы защитить внешнюю среду от вредного излучения.

Это удивительно эффективно! Между движущейся заряженной частицей и (заряженными) частицами, составляющими среду, через которую она движется, происходят электромагнитные взаимодействия, и эти взаимодействия заставляют движущуюся частицу излучать излучение определенной энергии во всех допустимых направлениях: радиально наружу, перпендикулярно направление его движения.

vlastni dilo / H. Seldon / общественное достояние

Но поскольку частица, испускающая излучение, находится в движении и движется очень быстро, все испускаемые фотоны будут усилены. Вместо того, чтобы получить кольцо фотонов, которое просто движется наружу, эта частица, движущаяся быстрее, чем свет в среде, через которую она проходит, испускает конус излучения, движущийся в том же направлении, что и излучающая его частица.

Черенковское излучение выходит под углом, определяемым всего двумя факторами:

  1. скорость частицы (v частица , быстрее света в среде, но медленнее света в вакууме),
  2. и скорость света в среде (v свет ).

На самом деле формула очень проста: θ = cos -1 (v свет / v частица ). Говоря простым языком, это означает, что угол, под которым падает свет, представляет собой арккосинус отношения этих двух скоростей, скорости света в среде и скорости частицы.

ICRR, Обсерватория Камиока, Токийский университет

Есть несколько важных моментов, на которые следует обратить внимание в отношении черенковского излучения. Во-первых, он несет в себе как энергию, так и импульс, который по необходимости должен исходить от частицы, движущейся в среде со скоростью, превышающей скорость света. Это означает, что частицы, излучающие черенковское излучение, замедляются из-за его излучения.

Во-вторых, угол, под которым испускается излучение Черенкова, позволяет нам определить скорость частицы, вызвавшей его излучение. Если вы можете измерить черенковский свет, исходящий от конкретной частицы, вы можете реконструировать свойства этой частицы. На практике это работает следующим образом: вы можете установить большой резервуар с материалом с фотоумножителями (способными обнаруживать отдельные фотоны) вдоль края, а обнаруженное черенковское излучение позволяет вам реконструировать свойства падающей частицы, в том числе где это произошло в вашем детекторе.

Коллаборация Super Kamiokande

Довольно интересно, что черенковское излучение было теоретизировано еще до теории относительности Эйнштейна, где оно томилось в безвестности. Математик Оливер Хевисайд предсказал это в 1888-189 гг. , и независимо Арнольд Зоммерфельд (который помог квантовать атом водорода) сделал это в 1904 году. Но с появлением специальной теории относительности Эйнштейна в 1905 году никто не заинтересовался этим направлением мысли настолько, чтобы вернуться к нему снова. Даже когда Мария Кюри наблюдала синий свет в концентрированном растворе радия (в 1910 г.), она не исследовала его происхождение.

Вместо этого он выпал на долю молодого исследователя по имени Павел Черенков, работавшего над люминесценцией тяжелых элементов. Когда вы возбуждаете элемент, его электроны спонтанно гасят возбуждение, спускаясь вниз по энергетическим уровням и испуская свет. То, что Черенков заметил, а затем исследовал, было голубым светом, который не укладывался исключительно в эти рамки. Что-то еще было в игре.

Саймон Сворди (Университет Чикаго), НАСА

Черенков приготовил водные растворы, богатые радиоактивностью, и заметил характерный синий свет. Когда у вас есть явление флуоресценции, когда электроны гасят возбуждение и испускают видимое излучение, это излучение изотропно: одинаково во всех направлениях. Но с радиоактивным источником в воде излучение не было изотропным, а выходило конусами. Позже было показано, что эти конусы соответствуют испускаемым заряженным частицам. Новая форма излучения, плохо изученная во времена Черенкова 1934 открытие, поэтому было названо черенковским излучением.

Три года спустя коллеги-теоретики Черенкова Игорь Тамм и Илья Франк смогли успешно описать эти эффекты в контексте теории относительности и электромагнетизма, что привело к тому, что черенковские детекторы стали полезным и стандартным методом в экспериментальной физике элементарных частиц. Все трое получили Нобелевскую премию по физике в 1958 году.

Nobel Media AB 2019

Излучение Черенкова является настолько замечательным явлением, что когда первые ускоренные электроны, на заре физики элементарных частиц в Соединенных Штатах, физики закрывали один глаз и помещали его на путь, где электрон луч должен был быть. Если бы луч был включен, электроны производили бы черенковское излучение в водной среде глазного яблока физика, и эти вспышки света указывали бы на то, что создаются релятивистские электроны. Как только влияние радиации на человеческий организм стало более понятным, были приняты меры предосторожности, чтобы физики не отравились.

Но основное явление остается тем же, куда бы вы ни отправились: заряженная частица, движущаяся в среде со скоростью, превышающей скорость света, испускает конус голубого излучения, замедляясь и раскрывая информацию о своей энергии и импульсе. Вы по-прежнему не можете превысить окончательный предел космической скорости, но если вы не находитесь в настоящем идеальном вакууме, вы всегда можете двигаться быстрее света. Все, что вам нужно, это достаточно энергии.

Может ли что-нибудь двигаться быстрее скорости света?

Впечатление художника от лучей света. Теория специальной теории относительности Альберта Эйнштейна утверждает, что свет в вакууме распространяется так быстро, что ничто во Вселенной не способно двигаться быстрее.
(Изображение предоставлено Юичиро Чино через Getty Images)

В 1676 году, изучая движение спутника Юпитера Ио, датский астроном Оле Рёмер вычислил, что свет распространяется с конечной скоростью. Два года спустя, основываясь на данных, собранных Рёмером, голландский математик и ученый Кристиан Гюйгенс стал первым человеком, который попытался определить фактическую скорость света, согласно данным Американского музея естественной истории в Нью-Йорке. Город.

Гюйгенс вывел цифру 131 000 миль в секунду (211 000 километров в секунду), число, которое не соответствует действительности по сегодняшним меркам — теперь мы знаем, что скорость света в «вакууме» пустого пространства составляет около 186 282. миль в секунду (299792 км в секунду), но его оценка показала, что свет движется с невероятной скоростью.

Согласно специальной теории относительности Альберта Эйнштейна , свет распространяется так быстро, что в вакууме ничто во Вселенной не способно двигаться быстрее.

«Мы не можем двигаться в космическом вакууме со скоростью, превышающей скорость света», — подтвердил Джейсон Кэссибри, доцент аэрокосмической техники в Исследовательском центре двигателей Алабамского университета в Хантсвилле.

Ответ на вопрос, верно? Возможно, нет. Когда свет равен , а не в вакууме, правило все еще применяется?

Связанный: Сколько атомов находится в наблюдаемой Вселенной?

«Технически утверждение «ничто не может двигаться быстрее скорости света» само по себе не совсем верно», по крайней мере, в невакуумных условиях Клаудия де Рам, физик-теоретик из Имперского колледжа Лондона, сказал Live Science в электронном письме. Но есть определенные оговорки, которые следует учитывать, сказала она.

Свет обладает как частицеподобными, так и волнообразными характеристиками, поэтому его можно рассматривать и как частицу ( фотон ), и как волну. Это известно как корпускулярно-волновой дуализм.

Если мы рассматриваем свет как волну, то существует «множество причин», по которым определенные волны могут двигаться быстрее, чем белый (или бесцветный) свет в среде, сказал де Рам. Одна из таких причин, по ее словам, заключается в том, что «когда свет проходит через среду — например, через стекло или капли воды — разные частоты или цвета света распространяются с разной скоростью». 98 метров в секунду). Это означает, что и 90 125 радиоволн 90 126, и 90 125 гамма-лучей 90 126 имеют одинаковую скорость», — сообщил Live Science в электронном письме Ретт Аллен, профессор физики Университета Юго-Восточной Луизианы. Путешествие быстрее скорости света, как это ни парадоксально, является самим светом, хотя и не в космическом вакууме. Примечательно, что независимо от среды свет никогда не превысит свою максимальную скорость в 186 282 мили в секунду.

Однако, по словам Кассибри, есть еще кое-что, что следует учитывать при обсуждении вещей, движущихся быстрее скорости света.

«Есть части Вселенной, которые удаляются от нас быстрее скорости света, потому что пространство-время расширяется», — сказал он. Например, космический телескоп «Хаббл» недавно обнаружил свет возрастом 12,9 миллиардов лет от далекой звезды, известной как Эарендель. Но поскольку Вселенная расширяется во всех точках, Эарендель удаляется от Земли с момента ее образования, так что сейчас галактика находится на расстоянии 28 миллиардов световых лет от Земли.

В этом случае пространство-время расширяется, но материя в пространстве-времени все еще движется в пределах скорости света.

Связанный: Почему космос вакуум?

Диаграмма видимого цветового спектра. (Изображение предоставлено: WinWin artlab через Shutterstock)

Итак, ясно, что ничто не движется быстрее света, о котором мы знаем, но есть ли ситуации, когда это возможно? По словам де Рама, специальная теория относительности Эйнштейна и его последующая общая теория относительности «построены на принципе относительности понятий пространства и времени». Но что это значит? «Если бы кто-то [был] способен путешествовать быстрее света и нести с собой информацию, его представление о времени было бы искаженным по сравнению с нашим», — сказал де Рам. «Могут быть ситуации, когда будущее может повлиять на наше прошлое, и тогда вся структура реальности перестанет иметь смысл».

Это указывает на то, что, вероятно, нежелательно заставлять человека путешествовать со скоростью, превышающей скорость света. Но возможно ли это когда-нибудь? Настанет ли когда-нибудь время, когда мы сможем создать корабль, который сможет перемещать материалы — и, в конечном счете, людей — через космос со скоростью, превышающей скорость света? «Теоретики предложили различные типы варп-пузырей (открывается в новой вкладке), которые могли бы позволить путешествовать со скоростью, превышающей скорость света», — сказал Кассибри.

Но убежден ли де Рам?

«Мы можем представить, что сможем общаться со скоростью света с системами за пределами нашей Солнечной системы», — сказал де Рам. «Но отправить реальных людей со скоростью света просто невозможно, потому что мы не можем разогнаться до такой скорости.

«Даже в очень идеалистической ситуации, когда мы воображаем, что могли бы продолжать ускоряться с постоянной скоростью — игнорируя, как мы могли бы даже создать технологию, которая могла бы постоянно ускорять нас — мы никогда не достигнем скорости света, — добавила она. — Мы могли бы приблизиться, но никогда не достигнем ее».0003

Связанный: Сколько длится галактический год?

Это точка подтверждена Кассибри. «Если пренебречь относительностью, если бы вы разогнались со скоростью 1G [гравитация Земли], вам потребовался бы год, чтобы достичь скорости света. Массовая энергия увеличивается, приближаясь к бесконечности.

«Один из немногих известных возможных «обманных кодов» для этого ограничения состоит в том, чтобы расширять и сжимать пространство-время, тем самым приближая пункт назначения к себе. Кажется, не существует фундаментального ограничения на скорость, с которой пространство-время может расширяться или сжиматься, а это означает, что когда-нибудь мы сможем обойти этот предел скорости».0003

СВЯЗАННЫЕ ЗАГАДКИ

Аллен так же уверен, что движение быстрее света маловероятно, но, как и Кассибри, отметил, что если люди хотят исследовать далекие планеты, на самом деле может не быть необходимости достигать таких скоростей.

«Единственный способ понять, как двигаться быстрее света, — это использовать в космосе какую-нибудь червоточину типа », — сказал Аллен. «На самом деле это не заставит нас двигаться быстрее света, а вместо этого даст нам короткий путь в какое-то другое место в космосе».

Кассибри, однако, не уверен, что червоточины когда-нибудь станут реальностью.

«Червоточины теоретически возможны на основе специального решения уравнений поля Эйнштейна», сказал он. «По сути, червоточины, если это возможно, давали бы вам кратчайший путь от одного пункта назначения к другому. Я понятия не имею, возможно ли их построить, или как мы вообще будем это делать».

Первоначально опубликовано на Live Science.

Джо Фелан — журналист из Лондона. Его работы публиковались в VICE, National Geographic, World Soccer и The Blizzard, а также были гостем на Times Radio. Его тянет ко всему странному, прекрасному и неизведанному, а также ко всему, что связано с жизнью за полярным кругом. Он имеет степень бакалавра журналистики Честерского университета.

Что может двигаться быстрее скорости света?

АП Фото

Когда Альберт Эйнштейн впервые предсказал, что свет движется с одинаковой скоростью повсюду в нашей Вселенной, он, по сути, наложил на него ограничение скорости: 670 616 629. миль в час — достаточно быстро, чтобы обогнуть всю Землю восемь раз раз в секунду .

Но это еще не все. На самом деле, это только начало.

До Эйнштейна масса — атомы, из которых состоят вы, я и все, что мы видим, — и энергия рассматривались как отдельные сущности. Но в 1905 году Эйнштейн навсегда изменил взгляд физиков на Вселенную.

Специальная теория относительности Эйнштейна навсегда связала массу и энергию простым, но фундаментальным уравнением E=mc 2 . Это небольшое уравнение предсказывает, что ничто, имеющее массу, не может двигаться со скоростью света или даже быстрее.

Ближе всего человечество к достижению скорости света находится внутри мощных ускорителей частиц, таких как Большой адронный коллайдер и Тэватрон.

Эти колоссальные машины разгоняют субатомные частицы до более чем 99,99% скорости света, но, как объясняет лауреат Нобелевской премии по физике Дэвид Гросс, эти частицы никогда не достигнут предела космической скорости.

Для этого потребовалось бы бесконечное количество энергии, и при этом масса объекта стала бы бесконечной, что невозможно. (Причина, по которой частицы света, называемые фотонами, движутся со скоростью света, заключается в том, что они не имеют массы.)

Со времен Эйнштейна физики обнаружили, что некоторые сущности могут достигать сверхсветовых (что означает «выше скорости света») скоростей и все же следовать космическим правилам, установленным специальной теорией относительности. Хотя они не опровергают теорию Эйнштейна, они дают нам представление об особенностях поведения света и квантовой области.

Легкий эквивалент звукового удара

Черенковское излучение, светящееся в активной зоне усовершенствованного испытательного реактора.

Аргоннская национальная лаборатория

Когда объекты движутся со скоростью, превышающей скорость звука, они создают звуковой удар. Итак, теоретически, если что-то движется со скоростью, превышающей скорость света, это должно производить что-то вроде «светового удара».

На самом деле, этот световой бум происходит ежедневно на объектах по всему миру — вы можете видеть это своими глазами. Это называется излучением Черенкова, и оно проявляется в виде голубого свечения внутри ядерных реакторов, как в усовершенствованном испытательном реакторе в Национальной лаборатории Айдахо на изображении справа.

Черенковское излучение названо в честь советского ученого Павла Алексеевича Черенкова, который впервые измерил его в 1934 году и был удостоен Нобелевской премии по физике в 1958 году за это открытие.

Черенковское излучение светится, потому что ядро ​​усовершенствованного испытательного реактора погружено в воду для охлаждения. В воде свет распространяется на 75 % быстрее, чем в космическом вакууме, но электроны, созданные реакцией внутри ядра, распространяются через воду быстрее, чем свет.

Частицы, такие как эти электроны, которые превосходят скорость света в воде или какой-либо другой среде, такой как стекло, создают ударную волну, похожую на ударную волну от звукового удара.

Когда ракета, например, движется по воздуху, она создает волны давления впереди, которые удаляются от нее со скоростью звука, и чем ближе ракета достигает звукового барьера, тем меньше времени остается волнам для выхода из путь объекта. Достигнув скорости звука, волны объединяются, создавая ударный фронт, который формирует громкий звуковой удар.

Точно так же, когда электроны движутся в воде со скоростью, превышающей скорость света в воде, они генерируют ударную волну света, которая иногда светится синим светом, но может также светиться в ультрафиолете.

Хотя эти частицы движутся в воде со скоростью, превышающей скорость света, на самом деле они не превышают космический предел скорости в 670 616 629 миль в час.

Когда правила не применяются

Трехмерная карта космической паутины на расстоянии 10,8 миллиардов световых лет от Земли.

Кейси Старк (Калифорнийский университет в Беркли) и Хи-Ган Ли (MPIA)

Имейте в виду, что специальная теория относительности Эйнштейна утверждает, что ничто, имеющее массу, не может двигаться быстрее скорости света, и, насколько физики могут сказать, Вселенная подчиняется этому правилу. А как насчет чего-то без массы?

Фотоны по своей природе не могут превышать скорость света, но частицы света — не единственные безмассовые объекты во Вселенной. Пустое пространство не содержит материальной субстанции и поэтому по определению не имеет массы.

«Поскольку ничто не является просто пустым пространством или вакуумом, оно может расширяться быстрее скорости света, поскольку ни один материальный объект не преодолевает световой барьер», — сказал астрофизик-теоретик Митио Каку в Big Think. «Поэтому пустое пространство, безусловно, может расширяться быстрее света».

Это именно то, что, по мнению физиков, произошло сразу после Большого Взрыва в эпоху, называемую инфляцией, которая была впервые выдвинута физиками Аланом Гутом и Андреем Линде в 1980-х годах. В течение одной триллионной триллионной секунды Вселенная неоднократно удваивалась в размерах, и в результате внешний край Вселенной расширялся очень быстро, намного быстрее скорости света.

Квантовая запутанность делает разрез

Квантовая запутанность звучит сложно и пугающе, но на рудиментарном уровне запутанность — это просто способ общения субатомных частиц друг с другом.

«Если у меня есть два электрона близко друг к другу, они могут вибрировать в унисон, согласно квантовой теории», — объясняет Каку в Big Think. Теперь разделите эти два электрона так, чтобы они находились на расстоянии сотен или даже тысяч световых лет друг от друга, и они будут поддерживать этот мост мгновенной связи открытым.

«Если я покачиваю один электрон, другой электрон мгновенно «ощущает» эту вибрацию, быстрее скорости света. Эйнштейн думал, что это, таким образом, опровергает квантовую теорию, поскольку ничто не может двигаться быстрее света», — писал Каку.

На самом деле, в 1935 году Эйнштейн, Борис Подольский и Натан Розен попытались опровергнуть квантовую теорию с помощью мысленного эксперимента над тем, что Эйнштейн называл «жуткими действиями на расстоянии».

По иронии судьбы, их статья заложила основу для того, что сегодня называется парадоксом ЭПР (Эйнштейна-Подольского-Розена), парадоксом, который описывает эту мгновенную связь квантовой запутанности — неотъемлемой части некоторых из самых передовых технологий в мире. как квантовая криптография.

Мечты о червоточинах

Червоточина в фильме «Интерстеллар»

Уорнер Бразерс Великобритания

Поскольку ничто с массой не может двигаться быстрее света, вы можете попрощаться с межзвездными путешествиями — по крайней мере, в классическом понимании ракетных кораблей и полетов.

Хотя Эйнштейн растоптал наши стремления путешествовать в дальний космос своей специальной теорией относительности, он дал нам новую надежду на межзвездные путешествия своей общей теорией относительности в 1915 году.

В то время как специальная теория относительности объединила массу и энергию, общая теория относительности сплела пространство и время воедино.

«Единственным жизнеспособным способом преодоления светового барьера может быть общая теория относительности и искривление пространства-времени», — пишет Каку. Это искривление — это то, что мы в просторечии называем «червоточиной», которая теоретически позволяет чему-то мгновенно перемещаться на огромные расстояния, что, по сути, позволяет нам преодолеть ограничение космической скорости, путешествуя на большие расстояния за очень короткий промежуток времени.

В 1988 году физик-теоретик Кип Торн — научный консультант и исполнительный продюсер недавнего фильма «Интерстеллар» — использовал уравнения общей теории относительности Эйнштейна, чтобы предсказать возможность существования червоточин, которые всегда будут открыты для космических путешествий.

Но для того, чтобы через эти червоточины можно было пройти, нужна какая-то странная, экзотическая материя, удерживающая их открытыми.

«Это удивительный факт, что экзотическая материя может существовать благодаря странностям в законах квантовой физики», — пишет Торн в своей книге «Наука о межзвездном пространстве».