Содержание
Быстрее не бывает: как скорость света связана с течением времени и почему ее невозможно превысить
А потом оказалось, что свет довольно нетороплив для нашей колоссальной Вселенной, но разогнаться быстрее, увы, невозможно. Впрочем, некоторые физики все еще надеются открыть сверхсветовые частицы.
В 1676 г. датский астроном Олаф (Оле) Ремер впервые измерил скорость светового луча. Ученый наблюдал Юпитер и его спутник Ио. Он обнаружил, что движение юпитерианской луны выглядит не совсем периодичным. По мере того, как планета-гигант удаляется от Земли, появление Ио из тени Юпитера все больше отстает от графика.
Ученый верно рассудил, что дополнительные минуты требуются свету, чтобы покрыть увеличившееся расстояние до Земли. Правда, из-за несовершенства своих приборов он занизил скорость света примерно в полтора раза.
По самым свежим данным, скорость света в вакууме равна 299 792 458 метров в секунду (обычно запоминают приближенную цифру в 300 000 км/с). Другими словами, за секунду свет проходит 7,5 земных экватора.
Немудрено, что многие мыслители — например, Декарт — считали распространение света мгновенным! Но по меркам космических расстояний он не так уж и быстр. Лунный свет добирается до Земли дольше секунды, солнечный — 8 минут, свет ближайших звезд — годами, а самых далеких галактик — более 10 млрд лет.
С какой точностью известна скорость света? Ответ неожиданный: ни с какой. С 1983 года сам эталон длины жестко привязан к скорости света. Так что нынешний подход гласит: мы абсолютно точно знаем скорость света в метрах в секунду, а теперь посмотрим, насколько велик метр (для определения секунды есть свои способы).
Чем же так важна скорость света, что к ней привязывают определение метра и, значит, измерение расстояний? Для ответа нам придется познакомиться со специальной теорией относительности.
Пространство и время сходят с ума
Специальная теория относительности (СТО) была создана в начале XX в. Альбертом Эйнштейном, Анри Пуанкаре, Хендриком Лоренцом и другими учеными.
Слово «теория» не должно вводить в заблуждение. Здесь оно не означает «нечто гипотетическое», как термин «теория твердого тела» не означает, что кто-то не уверен в существовании твердых тел.
СТО не просто подтверждена огромным количеством экспериментов, она стала основой работающих технологий. Усомниться в ней, конечно, никто не запретит, но без нее все равно ничего работать не будет.
Сама по себе относительность движения — очень простая вещь. Допустим, вы сидите в купе идущего поезда. Движетесь вы или нет? Относительно придорожного столба — да, относительно вагона — нет. Относительно вагона два последовательных удара вашего сердца произошли в одной и той же точке пространства. Относительно столба — в разных. Значит, бессмысленно говорить о местоположении и скорости, пока не сказано, относительно чего они измеряются. Скорость и положение в пространстве относительны.
Что же тогда абсолютно? До появления СТО считалось, что абсолютен ход времени. Часы в вагоне и на перроне показывают одинаковое время.
Кроме того, абсолютна длина тел. Мы можем измерить длину движущегося вагона, ползая по нему с рулеткой или же обшаривая его радаром со станции. В обоих случаях мы получим одну и ту же величину.
Однако специальная теория относительности демонстрирует, что и длина тел, и ход времени тоже относительны. Движущиеся часы отстают от неподвижных, и не потому, что портятся, а потому, что для них замедляется само время. Оно выкидывает и еще более удивительные фокусы, о которых мы поговорим ниже.
Почему мы не замечаем всего этого? Потому что движемся слишком медленно. При скорости космического корабля 10 км/с бортовые часы будут идти лишь на 6 стомиллионных долей процента медленнее неподвижных. Только самые точные хронометры могут обнаружить этот эффект (и они его действительно обнаруживают).
Но при скорости 87% от световой время замедлится вдвое, а при 99,99% световой — более чем в 70 раз. Это прекрасно видно по нестабильным частицам, которые разгоняются в ускорителях до околосветовых скоростей.
Время их жизни отмеряется их собственными внутренними «часами», так что по нашим часам они живут непозволительно долго. Теоретически, все ближе подбираясь к скорости света, можно замедлить время в любое количество раз.
Относительно почти все…
Договорившись, относительно чего мы наблюдаем движение, мы, как говорят физики, выбираем систему отсчета. Земля и вагон — это разные системы отсчета. Ничего удивительного, что в первой пассажир движется, а во второй неподвижен.
Специальная теория относительности рассматривает только инерциальные системы отсчета (ИСО). Они так называются потому, что в них выполняется закон инерции. Этот закон гласит: если на тело не действуют никакие силы, оно либо покоится, либо движется прямолинейно и равномерно.
Земля — классический пример ИСО (вообще-то вращение планеты делает ее слегка неинерциальной, но лишь чуть-чуть). Есть волшебное правило: система отсчета, которая прямолинейно и равномерно движется в некоторой ИСО, сама, в свою очередь, является инерциальной.
Если бы вагон все время шел с постоянной скоростью по идеально прямой дороге, он был бы инерциальной системой. Иное дело — реальный вагон (особенно в метро), который разгоняется, тормозит, поворачивает и покачивается. Положите на пол футбольный мяч и убедитесь, что закон инерции здесь не действует!
Еще Галилей и Ньютон осознавали глубочайшую истину, сегодня известную как принцип относительности. На современном языке она гласит: во всех инерциальных системах отсчета законы механики одинаковы.
Представим себе, что Ньютон провел всю жизнь в нашем идеальном вагоне. Там он открыл бы те же самые законы движения, что и на твердой земле. А в отсутствие окон даже этот великий физик не смог бы понять, что он вообще движется относительно чего-то внешнего. Ведь система отсчета идеального вагона ничем не отличается от любой другой ИСО, в том числе и прикрепленной к Земле.
…Кроме скорости света
Итак, согласно принципу относительности Галилея, нет единственно верной точки отсчета, с которой нужно изучать Вселенную.
Поистине глубокое утверждение, если забыть, что оно относится только к законам механики, науки о движении тел.
Но почему только механики? Чем хуже, скажем, законы электричества и магнетизма? И Эйнштейн решился на смелый шаг. Он постулировал, что не только законы механики, но и вообще все законы физики одинаковы в любых ИСО. Это утверждение теперь известно как принцип относительности Эйнштейна, или первый постулат специальной теории относительности.
Проблема в том, что законы электродинамики жестко фиксируют скорость света. Это просто-напросто константа, входящая в уравнения электромагнитного поля. И если эти уравнения одинаковы во всех ИСО, то и скорость света тоже.
Что в этом удивительного? Представим себе, что вагон движется со скоростью 60 км/ч, а пассажир идет по нему по ходу движения. Относительно вагона скорость человека будет 5 км/ч, а относительно Земли — уже 65 км/ч. Это называется (классическим) законом сложения скоростей.
А теперь пусть перед нами не человек, а луч света из фонарика.
В ИСО вагона его скорость 300 000 км/с, а в ИСО Земли? Согласно принципу относительности, тоже 300 000 км/с, ведь законы электродинамики одинаковы! На свет не распространяется привычное сложение скоростей. Скорость света не относительна, она абсолютна. Это второй постулат специальной теории относительности.
Всю СТО можно вывести из первого и второго постулатов, применив математику и изобретательность. И полученные следствия настолько удивительны, что современникам потребовалась немалая смелость, чтобы их принять.
Текущие часы
Установим на Земле и на космическом корабле одинаковые часы. СТО утверждает: с точки зрения землянина корабельные часы будут отставать. Правда, с точки зрения космонавта это земные часы будут отставать от корабельных. Ведь в своей системе отсчета он стоит на месте, а Земля движется.
Кто прав, космонавт или землянин? Принцип относительности говорит: правы оба, но каждый в своей системе отсчета! Теория относительности заставляет отказаться от мысли, что есть единый и истинный ход времени.
И замедление времени — еще не самое удивительное. Одновременность тоже относительна. События, одновременные для одного наблюдателя, могут не быть одновременными для другого. Даже прошлое и будущее могут меняться местами при смене системы отсчета.
Укротить относительность
Неужели выбором системы отсчета можно изменить буквально все? Можно ли настолько разогнать космический корабль, что по его часам ваш отец родился раньше вашего деда? Из постулатов Эйнштейна можно вывести правило, отвечающее на этот вопрос. Допустим, два события происходят в разных точках пространства и в разные моменты времени. Дальше все зависит от того, успеет ли свет дойти из одной точки в другую, чтобы застать оба события.
Например, первое событие — падение яблока на Земле, а второе — падение кометы на Проксиму Центавра. И произошло оно по земным часам спустя неделю после падения яблока. До Проксимы четыре световых года, так что за неделю свету никак не поспеть. Тогда найдется система отсчета, по часам которой земное яблоко упало не раньше, а позже прокисимианской кометы.
Зато не будет системы отсчета, в которой эти события произошли в одной точке пространства.
Пусть теперь первое событие — рождение вашего деда, а второе — рождение вашего отца. Между этими знаменательными датами свет уж точно успел бы дойти от первого роддома до второго (если, конечно, никто из ваших родственников не инопланетянин). Значит, ни по каким звездолетным часам ваш отец не родился раньше вашего деда. Зато найдется система отсчета, в которой два семейных события произошли в одной точке пространства.
Эти правила кажутся сложными и бессмысленными. Но они обретают глубочайший смысл, если вспомнить об одном тезисе, который часто связывают со СТО: ни вещество, ни энергия, ни информация не могут двигаться быстрее света.
Это значит, что падение яблока и падение кометы никак не могли повлиять друг на друга. Никакой сигнал не покрыл бы расстояние между Землей и Проксимой Центавра за неделю. А раз они никак не связаны, то в определенном смысле все равно, какое произошло раньше, а какое позже.
Прошлое меняется местами с будущим без всяких последствий.
С рождениями двух ваших родственников все наоборот. Рождение деда прямо повлияло на рождение отца, не так ли? Ничего удивительного, что СТО не позволяет переставлять порядок событий. Природа как бы запрещает машину времени, оберегая нас от смакуемых фантастами парадоксов.
Самый обидный запрет во Вселенной
Предельность скорости света, невозможность ее превзойти — это одно из самых важных свойств этой скорости, которое ужасно огорчает романтиков, мечтающих о межзвездных перелетах. Тем удивительнее, что специальная теория относительности, строго говоря, не запрещает сверхсветового движения.
Что СТО на самом деле запрещает делать, так это преодолевать световой барьер, и не важно, с какой стороны. Раз уж мы с вами движемся медленнее света, то это навсегда. Разогнаться до световой и тем более сверхсветовой скорости мы не можем: согласно формулам СТО, для этого потребовалась бы бесконечная энергия.
Свет тоже обречен на свою постоянную скорость, он не может ни ускориться, ни замедлиться. А если существуют сверхсветовые частицы, то они не могут затормозиться до световой и тем более досветовой скорости. Некоторые исследователи допускают, что такие частицы — так называемые тахионы — и впрямь существуют.
Главная трудность в том, что тахионы нарушают принцип причинности. Он гласит, что причина всегда предшествует следствию. Однако принцип причинности — не постулат и не следствие СТО, и теоретически он не обязан выполняться. При этом практически никто никогда не видел, чтобы он нарушался, и физики с этим считаются.
Между тем, сверхсветовая частица может — в определенной ИСО — достигать приемника раньше, чем вылетает из источника. Это про тахион должна была быть написана известная эпиграмма «На теорию относительности»:
Сегодня в полдень пущена ракета.
Она летит куда скорее света
И долетит до цели в семь утра
Вчера.
(перевод С. Маршака)
Ракеты не летают быстрее света, но если заменить «ракета» на «тахион», все будет правильно.
Принцип причинности заставляет многих физиков отрицать существование тахионов и говорить, что частицы не могут двигаться быстрее света. Тем более что такой запрет удивительно согласуется со всеми этими правилами насчет роддомов и яблок, выведенными из СТО без всякой опоры на причинность. Сегодня мало кто из физиков всерьез надеется, что тахионы когда-нибудь будут обнаружены.
Как обогнать свет
И все-таки сверхсветовое движение существует — правда, в этом случае движется всегда нечто нематериальное, и оно не может передать информацию из одной точки пространства в другую. Посветим на стену лазерной указкой. Легко заметить, что чем дальше мы от стены, тем быстрее мечется световое пятно, откликаясь на поворот указки. Между тем, луч мощного лазера может достать даже до Луны. И тогда достаточно поворачивать его на 45 градусов в секунду, чтобы солнечный (точнее, лазерный) зайчик проносился по Селене со сверхсветовой скоростью.
Это впечатляет. Но что именно столь быстро движется от одного лунного кратера к другому? Свет? Нет, он распространяется совсем по другой траектории: от Земли к Луне.
По поверхности нашего спутника перемещается зона освещения, а это не вещество и даже не поле. И она не может передавать информацию по пути.
Если в один кратер упадет метеорит, зайчик не сможет «рассказать» об этом другому кратеру. Чтобы световое пятно как-то отреагировало на падение, нужно, чтобы оное падение увидел человек, управляющий лазером. А увидит он его не раньше, чем лучи света достигнут Земли — естественно, со световой скоростью.
Расширение Вселенной тоже может происходить со сверхсветовой скоростью. Это не противоречит СТО, ведь расширение пространства — не то же самое, что движение тела в пространстве. Так что не удивляйтесь, читая новости о «сверхсветовых галактиках».
Однако расширение Вселенной подчиняется общей, а не специальной, теории относительности. Это более позднее творение Эйнштейна рассматривает не только инерциальные, но и неинерциальные системы отсчета, а еще увязывает пространство и время с гравитацией. Но это совсем другая история, и мы расскажем ее как-нибудь в другой раз.
Иллюстрации: Виктор Богорад
Материал опубликован в журнале «Вокруг света» № 7, октябрь 2022
Анатолий Глянцев
Теги
- наука
- октябрь 2022
Давайте разберемся: почему ничто не может быть быстрее света?
В сентябре 2011 года физик Антонио Эредитато поверг мир в шок. Его заявление могло перевернуть наше понимание Вселенной. Если данные, собранные 160 учеными проекта OPERA, были правильными, наблюдалось невероятное. Частицы — в этом случае нейтрино — двигались быстрее света. Согласно теории относительности Эйнштейна, это невозможно. И последствия такого наблюдения были бы невероятными. Возможно, пришлось бы пересмотреть самые основы физики.
Может ли что-то двигаться быстрее скорости света?
Содержание
- 1 Результаты эксперимента OPERA
- 2 Что может двигаться быстрее света
- 3 Что может изменить скорость движения электронов
- 4 Скорость движения фотонов
- 5 Может ли время идти по-разному
- 6 Можно ли двигаться быстрее скорости света
Результаты эксперимента OPERA
Хотя Эредитато говорил, что он и его команда были «крайне уверены» в своих результатах, они не говорили о том, что данные были совершенно точными. Напротив, они попросили других ученых помочь им разобраться в том, что происходит.
В конце концов, оказалось, что результаты OPERA были ошибочными. Из-за плохо подключенного кабеля возникла проблема синхронизации, и сигналы с GPS-спутников были неточными. Была неожиданная задержка в сигнале. Как следствие, измерения времени, которое потребовалось нейтрино на преодоление определенной дистанции, показали лишние 73 наносекунды: казалось, что нейтрино пролетели быстрее, чем свет.
Несмотря на месяцы тщательной проверки до начала эксперимента и перепроверку данных впоследствии, ученые серьезно ошиблись. Эредитато ушел в отставку, вопреки замечаниям многих о том, что подобные ошибки всегда происходили из-за чрезвычайной сложности устройства ускорителей частиц.
Что может двигаться быстрее света
Почему предположение — одно только предположение — что нечто может двигаться быстрее света, вызвало такой шум? Насколько мы уверены, что ничто не может преодолеть этот барьер?
Скорость света в вакууме составляет около 300 000 километров в секунду
Давайте сначала разберем второй из этих вопросов. Скорость света в вакууме составляет 299 792,458 километра в секунду — для удобства, это число округляют до 300 000 километров в секунду. Это весьма быстро. Солнце находится в 150 миллионах километров от Земли, и свет от него доходит до Земли всего за восемь минут и двадцать секунд.
Все самые свежие новости из мира высоких технологий вы также можете найти в Google News.
Может ли какое-нибудь из наших творений конкурировать в гонке со светом? Один из самых быстрых искусственных объектов среди когда-либо построенных, космический зонд «Новые горизонты», просвистел мимо Плутона и Харона в июле 2015 года. Он достиг скорости относительно Земли в 16 км/c. Намного меньше 300 000 км/с.
Тем не менее у нас были крошечные частицы, которые двигались весьма быстро. В начале 1960-х годов Уильям Бертоцци в Массачусетском технологическом институте экспериментировал с ускорением электронов до еще более высоких скоростей.
Поскольку электроны имеют отрицательный заряд, их можно разгонять — точнее, отталкивать — применяя тот же отрицательный заряд к материалу. Чем больше энергии прикладывается, тем быстрее разгоняются электроны.
Можно было бы подумать, что нужно просто увеличивать прилагаемую энергию, чтобы разогнаться до скорости в 300 000 км/с. Но оказывается, что электроны просто не могут двигаться так быстро. Эксперименты Бертоцци показали, что использование большей энергии не приводит к прямо пропорциональному увеличению скорости электронов.
Что может изменить скорость движения электронов
Вместо этого нужно было прикладывать огромные количества дополнительной энергии, чтобы хоть немного изменить скорость движения электронов. Она приближалась к скорости света все ближе и ближе, но никогда ее не достигла.
Представьте себе движение к двери небольшими шажочками, каждый из которых преодолевает половину расстояния от вашей текущей позиции до двери. Строго говоря, вы никогда не доберетесь до двери, поскольку после каждого вашего шага у вас будет оставаться дистанция, которую нужно преодолеть. Примерно с такой проблемой Бертоцци столкнулся, разбираясь со своими электронами.
Но свет состоит из частиц под названием фотоны. Почему эти частицы могут двигаться на скорости света, а электроны — нет?
Ученые используют все более мощную технику для изучения частиц
«По мере того как объекты движутся все быстрее и быстрее, они становятся все тяжелее — чем тяжелее они становятся, тем труднее им разогнаться, поэтому вы никогда на наберете скорость света», говорит Роджер Рассул, физик из Университета Мельбурна в Австралии. «У фотона нет массы. Если бы у него была масса, 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.
Заходите в наш специальный Telegram-чат. Там всегда есть с кем обсудить новости из мира высоких технологий.
Тем не менее свет движется намного медленнее, чем мы могли бы ожидать. Хотя интернет-техники любят говорить о коммуникациях, которые работают «на скорости света» в оптоволокне, свет движется на 40% медленнее в стекле этого оптоволокна, чем в вакууме.
Скорость движения фотонов
В реальности, фотоны движутся на скорости 300 000 км/с, но сталкиваются с определенной интерференцией, помехами, вызванными другими фотонами, которые испускаются атомами стекла, когда проходит главная световая волна. Понять это может быть нелегко, но мы хотя бы попытались.
В реальности, фотоны движутся на скорости 300 000 километров в секунду
Точно так же, в рамках специальных экспериментов с отдельными фотонами, удавалось замедлить их весьма внушительно. Но для большинства случаев будет справедливо число в 300 000. Мы не видели и не создавали ничего, что могло бы двигаться так же быстро, либо еще 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 связан с человеком по имени Альберт Эйнштейн, как часто бывает в физике. Его специальная теория относительности исследует множество последствий его универсальных пределов скорости. Одним из важнейших элементов теории является идея того, что скорость света постоянна. Независимо от того, где вы и как быстро движетесь, свет всегда движется с одинаковой скоростью.
Но из этого вытекает несколько концептуальных проблем.
Представьте себе свет, который падает от фонарика на зеркало на потолке стационарного космического аппарата. Свет идет вверх, отражается от зеркала и падает на пол космического аппарата. Скажем, он преодолевает дистанцию в 10 метров.
Теперь представим, что этот космический аппарат начинает движение с колоссальной скоростью во многие тысячи километров в секунду. Когда вы включаете фонарик, свет ведет себя как прежде: светит вверх, попадает в зеркало и отражается в пол. Но чтобы это сделать, свету придется преодолеть диагональное расстояние, а не вертикальное. В конце концов, зеркало теперь быстро движется вместе с космическим аппаратом.
Соответственно, увеличивается дистанция, которую преодолевает свет. Скажем, на 5 метров. Выходит 15 метров в общем, а не 10.
И несмотря на это, хотя дистанция увеличилась, теории Эйнштейна утверждают, что свет по-прежнему будет двигаться с той же скоростью. Поскольку скорость — это расстояние, деленное на время, раз скорость осталась прежней, а расстояние увеличилось, время тоже должно увеличиться. Да, само время должно растянуться. И хотя это звучит странно, но это было подтверждено экспериментально.
Теории Эйнштейна говорят о замедлении времени
Этот феномен называется замедлением времени. Время движется медленнее для людей, которые передвигаются в быстро движущемся транспорте, относительно тех, кто неподвижен.
Может ли время идти по-разному
К примеру, время идет на 0,007 секунды медленнее для астронавтов на Международной космической станции, которая движется со скоростью 7,66 км/с относительно Земли, если сравнивать с людьми на планете. Еще интереснее ситуация с частицами вроде вышеупомянутых электронов, которые могут двигаться близко к скорости света. В случае с этими частицами, степень замедления будет огромной.
Стивен Кольтхаммер, физик-экспериментатор из Оксфордского университета в Великобритании, указывает на пример с частицами под названием мюоны.
Подписывайтесь на наш канал в Яндекс Дзен. Там можно найти много всего интересного, чего нет даже на нашем сайте.
Мюоны нестабильны: они быстро распадаются на более простые частицы. Так быстро, что большинство мюонов, покидающих Солнце, должны распадаться к моменту достижения Земли. Но в реальности мюоны прибывают на Землю с Солнца в колоссальных объемах. Физики долгое время пытались понять почему.
«Ответом на эту загадку является то, что мюоны генерируются с такой энергией, что движутся на скорости близкой к световой, — говорит Кольтхаммер. — Их ощущение времени, так сказать, их внутренние часы идут 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, сжимается. Эти последствия, замедление времени и уменьшение длины, представляют собой примеры того, как изменяется пространство-время в зависимости от движения вещей — меня, тебя или космического аппарата — обладающих массой.
Солнце и испускаемый им свет
Что важно, как говорил Эйнштейн, на свет это не влияет, поскольку у него нет массы. Вот почему эти принципы идут рука об руку. Если бы предметы могли двигаться быстрее света, они бы подчинялись фундаментальным законам, которые описывают работу Вселенной. Это ключевые принципы. Теперь мы можем поговорить о нескольких исключениях и отступлениях.
Можно ли двигаться быстрее скорости света
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. К примеру, возьмем расширение самой Вселенной. Галактики во Вселенной удаляются друг от друга на скорости, значительно превышающей световую.
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.
Расширяющаяся Вселенная
Два ученых, каждый из которых изучает свой собственный фотон, получат один и тот же результат одновременно, быстрее, чем могла бы позволить скорость света.
Однако в обоих этих примерах важно отметить, что никакая информация не перемещается быстрее скорости света между двумя объектами. Мы можем вычислить расширение Вселенной, но не можем наблюдать объекты быстрее света в ней: они исчезли из поля зрения.
Вам будет интересно: Что ученым известно о возрасте и расширении Вселенной?
Что касается двух ученых с их фотонами, хотя они могли бы получить один результат одновременно, они не могли бы дать об этом знать друг другу быстрее, чем перемещается свет между ними.
«Это не создает нам никаких проблем, поскольку если вы способны посылать сигналы быстрее света, вы получаете причудливые парадоксы, в соответствии с которыми информация может каким-то образом вернуться назад во времени», говорит Кольтхаммер.
Есть и другой возможный способ сделать путешествия быстрее света технически возможными: разломы в пространстве-времени, которые позволят путешественнику избежать правил обычного путешествия.
Возможно ли путешествие через червоточину со скоростью больше или равной скорости света?
Джеральд Кливер из Университета Бейлор в Техасе считает, что однажды мы сможем построить космический аппарат, путешествующий быстрее света. Который движется через червоточину. Червоточины — это петли в пространстве-времени, прекрасно вписывающиеся в теории Эйншейна. Они могли бы позволить астронавту перескочить из одного конца Вселенной в другой с помощью аномалии в пространстве-времени, некой формы космического короткого пути.
Объект, путешествующий через червоточину, не будет превышать скорость света, но теоретически может достичь пункта назначения быстрее, чем свет, который идет по «обычному» пути. Но червоточины могут быть вообще недоступными 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 «двигателя Алькубьерре», предложенную физиком-теоретиком Мигелем Алькубьерре в 1994 году. Он описывает ситуацию, в которой пространство-время сжимается перед космическим аппаратом, толкая его вперед, и расширяется позади него, также толкая его вперед. «Но потом, — говорит Кливер, — возникли проблемы: как это сделать и сколько понадобится энергии».
В 2008 году он и его аспирант Ричард Обоузи рассчитали, сколько понадобится энергии.
«Мы представили корабль 10 м х 10 м х 10 м — 1000 кубометров — и подсчитали, что количество энергии, необходимое для начала процесса, будет эквивалентно массе целого Юпитера».
После этого, энергия должна постоянно «подливаться», чтобы процесс не завершился. Никто не знает, станет ли это когда-нибудь возможно, либо на что будут похожи необходимые технологии. «Я не хочу, чтобы меня потом столетиями цитировали, будто я предсказывал что-то, чего никогда не будет, — говорит Кливер, — но пока я не вижу решений».
Итак, путешествия быстрее скорости света остаются фантастикой на текущий момент. Пока единственный способ посетить экзопланету при жизни — погрузиться в глубокий анабиоз. И все же не все так плохо. В большинстве случаев мы говорили о видимом свете. Но в реальности свет — это намного большее. От радиоволн и микроволн до видимого света, ультрафиолетового излучения, рентгеновских лучей и гамма-лучей, испускаемых атомами в процессе распада — все эти прекрасные лучи состоят из одного и того же: фотонов.
Чтобы не пропустить ничего интересного из мира высоких технологий, подписывайтесь на наш новостной канал в Telegram. Там вы узнаете много нового.
Разница в энергии, а значит — в длине волны. Все вместе, эти лучи составляют электромагнитный спектр. То, что радиоволны, к примеру, движутся со скоростью света, невероятно полезно для коммуникаций.
Цветовой спектр света
В своем исследовании Кольтхаммер создает схему, которая использует фотоны для передачи сигналов из одной части схемы в другую, так что вполне заслуживает права прокомментировать полезность невероятной 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», отмечает он. И добавляет, что свет выступает как коммуникационная сила Вселенной. Когда электроны в мобильном телефоне начинают дрожать, фотоны вылетают и приводят к тому, что электроны в другом мобильном телефоне тоже дрожат. Так рождается телефонный звонок. Дрожь электронов на Солнце также испускает фотоны — в огромных количествах — которые, конечно, образуют свет, дающий жизни на Земле тепло и, кхм, свет.
Свет — это универсальный язык Вселенной. Его скорость — 299 792,458 км/с — остается постоянной. Между тем, пространство и время податливы. Возможно, нам стоит задумываться не о том, как двигаться быстрее света, а как быстрее перемещаться по этому пространству и этому времени? Зреть в корень, так сказать?
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 за каждую 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 аналог 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, подобную ударной волне 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, чтобы выйти 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 самой своей природе не могут превышать скорость света, но частицы света — не единственная безмассовая сущность 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 Мичио 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 решает проблему
Квантовая запутанность звучит сложно и пугающе, но на рудиментарном уровне запутанность — это просто способ общения субатомных частиц друг с другом.
«Если два электрона находятся близко друг к другу, согласно квантовой теории, они могут вибрировать в унисон», — 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 устремления к путешествиям 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».
Эта экзотическая материя была даже создана в лабораториях здесь, на Земле, но в очень малых количествах. Когда Торн предложил свою теорию стабильных червоточин в 1988 году, он обратился к физическому сообществу с просьбой помочь ему определить, может ли во Вселенной существовать достаточно экзотической материи, чтобы подтвердить возможность существования червоточины.
«Это вызвало множество исследований со стороны многих физиков, но сегодня, почти тридцать лет спустя, ответ все еще неизвестен.» Торн пишет. На данный момент все выглядит не очень хорошо: «Но мы все еще далеки от окончательного ответа», — заключает он.
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. 0003 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.
Университет Айовы
Это свойство приводит к удивительному предсказанию: возможность того, что вы можете двигаться быстрее скорости 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 / public domain
Но поскольку частица, излучающая 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:
- скорость частицы (v частица , быстрее света в среде, но медленнее света в вакууме),
- и скорость света в среде (v свет ).
На самом деле формула очень проста: θ = cos -1 (v свет /v частиц ). 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
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 достался молодому исследователю по имени Павел Черенков, который работал 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 — настолько замечательное явление, что, когда первые ускоренные электроны, на заре физики элементарных частиц в Соединенных Штатах, физики закрывали один глаз и помещали его на путь, по которому движется 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.