Что движется быстрее скорости света: «Что двигается со скоростью света (кроме света)?»

Содержание

«Что двигается со скоростью света (кроме света)?» — Яндекс Кью

Когда частица может двигаться быстрее света? О первой Нобелевской премии советских физиков

В 1933 году в лаборатории Физико-математического института Павел Черенков и Сергей Вавилов (первый был аспирантом у второго) обнаружили ранее неизвестный феномен. Чистая вода, без всяких примесей, начинала светиться под действием радиации. Как показали дальнейшие наблюдения, дело было в очень быстро движущихся заряженных частицах — быстрее света.

Слова «быстрее света» не ошибка: принципиально нельзя превысить лишь скорость света в вакууме, а в разных материалах он движется медленнее. Свет — это электромагнитная волна, колебания поля. Но в любом веществе есть атомы, которые вносят задержку в передачу энергии электромагнитной волной. Или просто не пропускают волну внутрь: это происходит в непрозрачных средах.

На эту тему

Если в вакууме предел составляет без малого 300 тыс. км/с (с такой скоростью за 1 с можно облететь Землю по экватору 7,5 раза), то в воде — только 225 тыс. км/с. Для оптического стекла значение еще меньше: некоторые сорта замедляют свет до 140 тыс. км/с.

Законы физики запрещают мгновенное изменение скорости, поэтому какое-то расстояние в среде частица пролетает быстрее «местного ограничения». Все это время она тормозит и, следовательно, теряет энергию, которой надо куда-то деваться. При торможении машины кинетическая энергия переходит в нагрев тормозов, а сверхсветовые частицы отдают избыток в виде квантов излучения, то есть света.

Детально эффект был описан Черенковым, Вавиловым, Игорем Таммом и Ильей Франком. Все они, кроме умершего в 1951-м Вавилова, получили Нобелевскую премию по физике. Сам эффект по сей день применяется в исследованиях, а наблюдается как в технике, так и в природе, главное — знать, куда смотреть.

Красиво, но лучше смотреть издалека

Эффект Вавилова — Черенкова выглядит очень красиво. Голубое свечение погруженной в воду активной зоны ядерного реактора или опущенного в специальный бассейн отработанного ядерного топлива обусловлено именно этим явлением. При распаде атомов урана или иных радиоактивных элементов некоторые частицы вылетают на скоростях больше скорости света в воде — и испускают то самое свечение.

Вспышки в глазах

Наши глаза, как известно, тоже состоят из прозрачной среды. Когда в глаз влетает частица с околосветовой скоростью, она начинает излучать, поэтому космонавты неоднократно видели вспышки перед глазами. Во время полетов к Луне экипажи «Аполлонов» отмечали по одной вспышке в три минуты, а на «Аполлоне-17» Рон Эванс даже надевал на голову специально сконструированный детектор космических лучей. Оказалось, что вспышки вовсе не иллюзия, а результат взаимодействия с частицами, прилетающими из космоса.

Описание

Американский астронавт Рон Эванс

Угрозы для здоровья такие вспышки не несут, но в целом повышенный радиационный фон на орбите и тем более в дальнем космосе всерьез беспокоит исследователей. Будущие экспедиции к Марсу и к проектируемой станции вблизи Луны хорошо бы защитить от избыточного облучения.

Свет во тьме

Благодаря эффекту Вавилова — Черенкова океанские глубины вовсе не кромешный мрак, как можно подумать. Измерения, проведенные в 1984 году советскими исследователями в Атлантическом океане, показали, что постоянный распад калия-40 (естественный радиоактивный изотоп в морской воде) дает достаточно сверхсветовых частиц для слабой фоновой засветки даже на отметке 5 км ниже поверхности. Теоретически обладатели достаточно больших глаз в этих условиях способны видеть: для глубоководных рыб излучение Вавилова — Черенкова может оказаться источником тусклого, но зато равномерного свечения.

Описание

Излучение вокруг погруженного в воду исследовательского реактора

Воздух тоже задерживает свет, пусть и слабее, поэтому самые быстрые частицы излучают уже при попадании в атмосферу. Это черенковское излучение в атмосфере тоже можно зафиксировать приборами. Благодаря ему небо оказывается не абсолютно черным даже в лишенных звезд местах (впрочем, вклад полярных сияний гораздо больше).

Детекторы и медицина

Яркость вспышки, ее продолжительность и направление распространения световых лучей зависят от энергии и направления полета исходной частицы. Эта связь позволяет физикам при достаточном числе одновременных наблюдений узнать о частице много интересной информации. Что самое важное — это можно сделать издалека, просто поставив несколько телескопов вместо того, чтобы ловить редкие космические лучи детекторами на высоте более 10 км. Подобные установки успешно используются в ряде обсерваторий. С их помощью астрофизики могут изучать частицы с такими энергиями, которые не в состоянии выдать даже Большой адронный коллайдер.

Описание

Телескоп MAGIC, при помощи которого астрофизики наблюдают черенковское излучение в атмосфере

Кроме того, черенковское излучение возникает в воде или во льду при попадании космических частиц-нейтрино. Чувствительные фотоумножители, опущенные под воду (например, в толще озера Байкал) или вмороженные в лед (под станцией Амундсен — Скотт на Южном полюсе), будут регистрировать частицы не только при непосредственном попадании в сам прибор, но и вокруг себя. Это резко повышает эффективность наблюдений.

На эту тему

А недавно эффекту Вавилова — Черенкова нашли применение в медицине. Протоны, которыми «выжигают» раковую опухоль, тоже движутся быстрее скорости света в человеческом теле, поэтому при помощи черенковского излучения можно контролировать лучевую терапию.

Как часто бывает в науке, открытие нового явления не просто обогатило знания о мире очередным фактом. Знание о том, как возникает свечение веществ под действием проходящих через них частиц, помогло раскрыть другие тайны природы. А советским физикам оно впервые в истории принесло Нобелевскую премию.

Алексей Тимошенко, научно-популярный сайт «Чердак»

Космический корабль в «варп-пузыре» может двигаться быстрее скорости света, утверждает физик – Physics World

Варп-двигатель: могут ли солитоны с положительной энергией двигать космический корабль быстрее скорости света? (С любезного разрешения: iStock/VikaSuh)

Специальная теория относительности Альберта Эйнштейна утверждает, что ни один известный объект не может двигаться со скоростью, превышающей скорость света в вакууме, которая составляет 299 792 км/с. Это ограничение скорости делает маловероятным, что люди когда-либо смогут отправить космический корабль для исследования за пределами нашей локальной области Млечного Пути.

Однако новое исследование Эрика Ленца из Геттингенского университета предлагает выход за этот предел. Загвоздка в том, что его схема требует огромного количества энергии и может быть не в состоянии привести в движение космический корабль.

Ленц предполагает, что обычные источники энергии могут формировать структуру пространства-времени в виде солитона — мощной сингулярной волны. Этот солитон будет действовать как «варп-пузырь», сжимая пространство перед собой и расширяя пространство позади. В отличие от объектов в пространстве-времени, само пространство-время может искривляться, расширяться или деформироваться с любой скоростью. Следовательно, космический корабль, находящийся в сверхбыстром пузыре, может достичь пункта назначения быстрее, чем свет в обычном космосе, не нарушая никаких физических законов, даже эйнштейновского ограничения космической скорости.

Отрицательная энергия

Идея создания варп-пузырей не нова, она была впервые предложена в 1994 году мексиканским физиком Мигелем Алькубьерре, который назвал их «варп-двигателями» в честь научно-фантастического сериала «Звездный путь ». Однако до исследований Ленца считалось, что единственный способ создать варп-двигатель — это генерировать огромное количество отрицательной энергии — возможно, с помощью какой-то неизвестной экзотической материи или путем манипулирования темной энергией. Чтобы обойти эту проблему, Ленц сконструировал неизведанную геометрическую структуру пространства-времени, чтобы вывести новое семейство решений уравнений общей теории относительности Эйнштейна, называемых солитонами с положительной энергией.

Хотя кажется, что солитоны Ленца соответствуют общей теории относительности Эйнштейна и устраняют необходимость создания отрицательной энергии, космические агентства не будут строить варп-двигатели в ближайшее время, если вообще когда-либо. Частично причина в том, что варп-двигатель Ленца с положительной энергией требует огромного количества энергии. По словам Ленца, космическому кораблю радиусом 100 м потребуется энергия, эквивалентная «сотням масс планеты Юпитер». Он добавляет, что, чтобы быть практичным, это требование должно быть уменьшено примерно на 30 порядков, чтобы соответствовать мощности современного ядерного реактора. Ленц в настоящее время изучает существующие схемы энергосбережения, чтобы увидеть, можно ли снизить потребление энергии до практического уровня.

Любой варп-двигатель также должен решить несколько других серьезных проблем. Алькубьер, считающий работу Ленца «значительным достижением», называет «проблему горизонта» одной из самых пагубных. «Варп-пузырь, движущийся со скоростью, превышающей скорость света, не может быть создан внутри пузыря, поскольку передний край пузыря был бы вне досягаемости космического корабля, находящегося в его центре», — объясняет он. «Проблема в том, что вам нужна энергия, чтобы деформировать пространство до самого края пузыря, а корабль просто не может ее туда поместить».

Космический корабль сомневается

Ленц описывает свои расчеты в Classical and Quantum Gravity , где другие недавние исследования по этой теме изложены в принятой рукописи исследователей Advanced Propulsion Laboratory Алексея Бобрика и Джанни Мартире. Дуэт описывает общую модель варп-двигателя, включающую в себя все существующие схемы варп-двигателя с положительной и отрицательной энергией, за исключением схемы Ленца, которая, по их словам, «вероятно образует новый класс варп-двигателей пространства-времени».

Тем не менее, они утверждают, что варп-двигатель типа Ленца похож на любой другой тип варп-двигателя в том смысле, что по своей сути он представляет собой оболочку из обычного материала и, следовательно, подчиняется ограничению космической скорости Эйнштейна, заключая, что «существует нет известного способа разогнать варп-двигатель выше скорости света».

Подробнее

До встречи! К звездам!

Несмотря на то, что Ленц признает эти огромные препятствия на пути создания варп-двигателя, он считает, что они не являются непреодолимыми. «Эта работа продвинула проблему путешествий со скоростью, превышающей скорость света, на один шаг от теоретических исследований в фундаментальной физике и ближе к инженерии», — говорит он.

Удовлетворив потребности в энергии, Ленц планирует «изобрести способ создания и ускорения (и рассеяния и замедления) солитонов с положительной энергией из составляющих их источников материи», затем подтвердить существование малых и медленных солитонов в лаборатории и наконец решить проблему горизонта. «Это будет важно для прохождения скорости света с полностью автономным солитоном», — говорит он.

Тахионы: факты об этих сверхсветовых частицах

Тахионы — это гипотетические частицы, которые движутся быстрее скорости света и путешествуют во времени в обратном направлении.
(Изображение предоставлено Юичиро Чино через Getty Images)

Путешествие со скоростью, превышающей скорость света, и путешествие во времени могут быть реальными для тахионов. Если в чем и преуспевает научная фантастика, так это в том, что она позволяет нам восхищаться нарушением физических законов Вселенной. Мы с удивлением наблюдаем и читаем, как варп-двигатели космического корабля «Энтерпрайз» разгоняют его до сверхсветовой скорости, или как Барри или Уолли — кто бы ни носил имя Флэша в то время — делает то же самое не более чем за пару желтых сапог.

Точно так же нам нравятся истории об искателях приключений, таких как Доктор или Док Браун, использующих странные, казалось бы, устаревшие механизмы, чтобы нарушить законы причинно-следственной связи. Что, если бы существовала фундаментальная частица, которая могла бы делать все эти вещи? Двигаться быстрее света, как Флэш, и путешествовать во времени без ТАРДИС, Делориан или желтых ботинок.

Это тахион. Но не заблуждайтесь, эти частицы — не просто выдумки писателей-фантастов. Тахионы — это материал «твердой» науки.

Связанный: Что произошло бы, если бы скорость света была намного ниже?

Что такое тахион?

Тахионы — один из самых интересных элементов специальной теории относительности Эйнштейна. Теория 1905 года основана на двух постулатах: ничто, имеющее массу, не движется быстрее скорости света ( c ), а физические законы остаются одинаковыми во всех неинерциальных системах отсчета. Важным следствием специальной теории относительности является тот факт, что пространство и время объединены в единое целое; пространство-время. Это означает, что путешествие частицы со скоростью связано с ее путешествием во времени.

Термин «тахион» впервые вошел в научную литературу в 1967 году в статье физика Колумбийского университета Джеральда Файнберга под названием «Возможность существования частиц со скоростью, превышающей скорость света ». Файнберг предположил, что тахионные частицы возникнут из квантового поля с «воображаемой массой», что объясняет, почему первая популяция специальной теории относительности не ограничивает их скорость.

Это привело бы к существованию во Вселенной двух типов частиц; брадионы, которые движутся медленнее света и составляют всю материю, которую мы видим вокруг нас, и тахионы, движущиеся быстрее света, по данным Университета Питтсбурга . Одно из ключевых различий между этими типами частиц заключается в том, что по мере добавления энергии к брадионам они ускоряются. Но у тахионов по мере отнятия энергии их скорость увеличивается.

Тахионы и путешествия во времени

Одним из наиболее важных и значимых результатов специальной теории относительности Эйнштейна является установление универсального предела скорости с ; скорость света в вакууме.

Эйнштейн предположил, что по мере приближения объекта к c его масса становится почти бесконечной, как и энергия, необходимая для его ускорения. Это должно означать, что ничто не может двигаться быстрее света. Но представьте себе частицу антимассы, такую как тахион, в самом низком энергетическом состоянии она будет двигаться со скоростью c . Но почему это должно привести к путешествию во времени вспять?

Все это зависит от концепции, которая помещает «относительное» в «специальную теорию относительности».

Распространенным инструментом, используемым для объяснения специальной теории относительности, является диаграмма пространства-времени.

Пространство-время наполнено событиями, начиная от космически мощных и жестоких, таких как взрыв сверхновой на далекой звезде, и заканчивая обыденными, такими как разбивание яйца на кухонном полу. И они отображаются на диаграмме пространства-времени. На этой диаграмме показано, как частица летит сквозь пространство-время, очерчивая мировую линию, отображающую ее движение.

Также пространство-время заполняют наблюдатели, каждый из которых имеет свою систему отсчета. Эти наблюдатели могут видеть события, заполняющие пространство-время, происходящие в разном порядке. Наблюдатель 1 может увидеть, что событие А, вспышка сверхновой, произошло до события В, треснувшего яйца. Однако наблюдатель 2 может видеть, что событие B происходит раньше, чем событие A.

События в пределах светового конуса наблюдателя могут быть связаны сигналом медленнее света. (Изображение предоставлено: версия SVG: К. Аинскаци из en.wikipedia. Исходная версия PNG: Stib из en.wikipedia — перенесено из en. wikipedia в Commons. (Исходный текст: самодельный), CC BY-SA 3.0, https:/ /commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=2210907)

(открывается в новой вкладке)

С каждым событием связан световой конус. Если событие B попадает в световой конус события A, то они могут быть причинно связаны. Сверхновая могла сбить яйцо с кухонного стола — или, может быть, упавший предмет для завтрака каким-то образом вызвал полный гравитационный коллапс умирающей звезды. Это потому, что в световом конусе сигнал, движущийся медленнее света, может связать события. Края светового конуса представляют скорость света. Для связи события вне светового конуса с событием внутри него требуется сигнал, который распространяется быстрее света.

Если событие А находится в световом конусе, а событие В вне его, то сверхновая и трагедия, связанная с яйцом, не могут быть причинно связаны. Но тахион, движущийся со скоростью, превышающей скорость света, может нарушить причинно-следственную связь, связав эти события.

Чтобы понять, почему это проблема, рассмотрим ее следующим образом. Событие изображения A — это отправка сигнала, а событие B — получение этого сигнала. Если этот сигнал движется со скоростью света или медленнее, то все наблюдатели в разных системах отсчета согласны с тем, что A предшествовало B.

Но, если этот сигнал переносится тахионом и, таким образом, движется быстрее света, будут системы отсчета, которые говорят, что сигнал был получен до того, как он был отправлен. Таким образом, для наблюдателя в этом кадре тахион путешествовал назад во времени.

Один из фундаментальных постулатов специальной теории относительности состоит в том, что законы физики должны быть одинаковыми во всех неускоряющихся системах отсчета. Это означает, что если тахионы могут нарушать причинно-следственную связь и двигаться назад во времени в одной системе отсчета, они могут делать это и во всех остальных.

Диаграмма, показывающая, как события рассматриваются в разное время в разных системах отсчета. (Изображение предоставлено пользователем: Acdx — самодельное, на основе изображения: Relativity_of_Simultanity.svg, исходный код: en:User:Acdx/Relativity_of_Simultanity_Animation, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/ index.php?curid=5560059)

Парадоксы тахионов

Чтобы увидеть, как это приводит к проблемам, называемым парадоксами, рассмотрим двух наблюдателей: Стеллу на борту космического корабля, вращающегося вокруг Земли, и Терру, находящуюся на поверхности Земли. планета. Эти двое общаются, отправляя сообщения с помощью тахионов.

Это означает, что если Стелла посылает на Терру сигнал, который движется быстрее света в системе отсчета Стеллы, но назад во времени в системе отсчета Терры. Затем Терра отправляет ответ в соответствии с приказом, который движется быстрее света в ее кадре, но назад во времени в кадре Стеллы, Стелла может получить ответ до отправки исходного сигнала.

Что, если этот ответный сигнал от Терры говорит: «Не посылайте никаких сигналов»? Тогда Стелла не посылает первоначальный сигнал, а Терре не на что ответить, и она никогда не посылает тахионный сигнал, который говорит «не посылайте никаких сигналов».

Таким образом, тахионы не только нарушают причинно-следственную связь в каждом -м кадре, но и открывают дверь для серьезных логических парадоксов.

Есть предположения, как можно избежать этих парадоксов. Конечно, самое простое решение состоит в том, что тахионов не существует.

Менее драконовское предположение состоит в том, что наблюдатели в разных системах отсчета не могут определить разницу между испусканием и поглощением тахионов.

Это означает, что тахион, путешествующий назад во времени, всегда можно интерпретировать как тахион, движущийся вперед во времени, потому что получение тахиона из будущего всегда создает один и тот же тахион и отправляет его вперед во времени.

Другое предположение состоит в том, что тахионы не похожи ни на какие другие частицы, о которых мы знаем, в том, что они не взаимодействуют и никогда не могут быть обнаружены или наблюдаемы. Это означает, что тахионная система связи, используемая Стеллой и Террой в приведенном выше примере, не может существовать.

В том же духе другие исследователи говорят, что тахионами нельзя управлять. Получение и испускание тахионов происходит случайным образом. Таким образом, невозможно послать тахион с сообщением о нарушении причинно-следственной связи.

Тахионы. Сможем ли мы когда-нибудь обнаружить их?

Помимо того факта, что, как и другие частицы, они, вероятно, непостижимо малы, поскольку тахионы всегда движутся быстрее света, их невозможно обнаружить при их приближении. Это потому, что он движется быстрее, чем любые связанные с ним фотоны.

После прохождения наблюдатель увидит, что изображение тахиона разделено на два отдельных изображения. Они показали бы, что он одновременно прибывает в одном направлении и исчезает в противоположном направлении.

Если обнаружение тахионов, по крайней мере их приближения, со светом невозможно, есть ли другой способ обнаружить их быстрее, чем световые частицы?

Возможно. Предполагается, что у тахионов есть «антимасса», но она по-прежнему составляет энергию массы. Это означает, что эти частицы все еще должны иметь некоторый гравитационный эффект. Возможно, высокочувствительные детекторы смогут обнаружить этот эффект.

Альтернативный метод обнаружения может возникнуть из-за их сверхсветовой природы.

В то время как скорость света в вакууме c является универсальным пределом скорости, частицы могут двигаться быстрее света в других средах. Когда электрически заряженные частицы ускоряются до скорости света и выше в определенных средах, таких как вода, они испускают форму излучения, называемую излучением Черенкова, согласно Международному агентству по атомной энергии .

Это означает, что если тахионы электрически заряжены, то одним из способов их обнаружения будет измерение черенковского излучения в ближнем вакууме космоса.

Сила воображения в науке

Тахионы действительно демонстрируют важность воображения в нашем постоянном стремлении понять вселенную. Их может не быть, а если они есть, у нас может не быть надежды когда-либо их измерить.

Но то, что не могут уловить наши технологии, может уловить наш разум. Мы можем рассмотреть возможность частицы, которая путешествует во времени, и что это говорит о природе времени, Вселенной и событиях, которые их наполняют.

В интервью с Джорджем Сильвестром Виреком, опубликованном в «The Saturday Evening Post » в 1929 году, Альберт Эйнштейн, как полагают, сказал: «Воображение важнее, чем знание. Знания ограничены. мир.»

Дополнительная информация

Узнайте больше о тахионах с помощью этого информативного видео на YouTube (откроется в новой вкладке).
Исследуйте возможные экспериментальные доказательства существования тахионов в Университете Джорджа Мейсона (открывается в новой вкладке).
Узнайте, как работает черенковское излучение, из этого видео от Fermi Lab (откроется в новой вкладке).

Присоединяйтесь к нашим космическим форумам, чтобы продолжать обсуждать последние миссии, ночное небо и многое другое! А если у вас есть новость, исправление или комментарий, сообщите нам об этом по адресу: community@space.