Почему нельзя двигаться быстрее скорости света: «Почему нельзя разогнаться быстрее скорости света?»

Содержание

«Почему нельзя разогнаться быстрее скорости света?» — Яндекс Кью

Почему нельзя двигаться быстрее скорости света: простыми словами

Вы наверняка хотя бы раз слышали о том, что скорость света – максимальная из возможных, и во Вселенной не существует ничего и никого, кто мог бы двигаться быстрее. Кроме, пожалуй, Барри Аллена. Ему можно. Если быть точным, то ничто не может превысить скорость света в вакууме. Но мы уловить разницу между перемещением света в воздухе и космическом пространстве попросту не сможем. Поэтому, если вы будете опускать слово «вакуум», вас не осудят.

Так почему нельзя двигаться быстрее скорости света? Потому что, согласно Общей теории относительности, при приближении к околосветовой скорости масса объекта стремится к бесконечности, а энергию он получает такую, что она его попросту разрушит. В противном случае все это будет противоречить основным законам физики. И пусть люди постоянно ищут способы обойти эти ограничения, например, с помощью квантовой телепортации или создания варп-двигателей из Звездного пути, переместиться из точки А в точку Б быстрее света мы все еще не можем.

Почему нельзя двигаться быстрее света

«Потому что это противоречит законам физики» – достаточно точный и емкий ответ. Но всегда ведь хочется знать, почему это противоречит законам физики. В большинстве ссылок, которые Гугл выдаст вам по этому вопросу, будет написано что-то подобное:

Скорость света в вакууме (299 792 км/с) — это абсолютный предел, превысить который невозможно, что следует из законов физики.

Представьте себе космический корабль, летящий со скоростью, равной половине скорости света. Если находящийся на его борту космонавт посветит прожектором в направлении движения, то не будет ли для неподвижного наблюдателя скорость луча прожектора в 1,5 раза больше скорости света? Как ни странно, нет. Скорость света всегда одна и та же, независимо от того, измеряется она неподвижным наблюдателем или человеком на борту звездолета. Это кажущееся противоречие устраняется только в специальной теории относительности Эйнштейна, согласно которой с точки зрения неподвижного наблюдателя время на быстро движущемся корабле замедляется, а расстояние укорачивается. Из-за релятивистского изменения промежутков времени и расстояний на борту быстро летящего корабля измеренная астронавтом скорость света будет такой же, как и скорость света, измеренная внешним неподвижным наблюдателем. Другое следствие теории относительности — увеличение массы движущегося объекта с увеличением его скорости. Так, с приближением скорости корабля к скорости света его масса стремится к бесконечности.

Скорость света

Если такого объяснения вам было достаточно, дальше можете статью не читать, потому что не увидите в ней ничего нового для себя. Но многие пользователи интернета с физикой на «вы», поэтому жонглирование понятиями типа «релятивистская масса» не объяснит им всей сути и будет очень скучным. К тому же, как объяснить такое детям, которые только что столкнулись со скоростью света в курсе школьной физики? Они точно не смогут углубиться в вопрос настолько серьезно. Поэтому давайте попытаемся объяснить, почему скорость света максимальна, более простым языком.

Порассуждаем на эту тему с помощью старой доброй геометрии. Не спешите расстраиваться, она не сложнее, чем рисование графиков и позволяет более наглядно понять рассматриваемую тему, заменяя все сложные термины более простыми аналогиями.

Итак, фундаментальная геометрия Вселенной описывается восемью направлениями: шестью пространственными и двумя временными. Все они вам прекрасно известны. Во-первых, это четыре стороны: юг, север, запад, восток. Во-вторых – понятия «вверх» и «вниз». Вместе данные направления составляют так называемый ортогональный базис, но сейчас не о нем. Эти направления существуют в каждой точке пространства, где мы находимся. Да, в космосе нет верха и низа, но поместите себя в космический корабль, и они тут же появятся. Поэтому просто будем считать все эти стороны абсолютными.

Осталось добавить лишь два временных направления, которые вам также хорошо известны: в будущее и в прошлое. Если с пространственным перемещением у нас обычно проблем не бывает, то с временными есть одна небольшая заминка – мы не можем двигаться назад. Будущее нам еще предстоит пережить, поэтому мы постоянно движемся к нему, а вот прошлое уже пережито, и вернуться туда нельзя.

Будущее и прошлое

Эти восемь направлений не просто так названы фундаментальными. Они образуют четыре пары измерений: влево-вправо, вверх-вниз, вперед-назад и от прошлого к будущему. Это четыре измерения, в которых мы с вами живем, из которых «состоит» наша Вселенная, пространство-время. Насчет того, насколько корректно такое приравнивание, можно спорить долго, но в рамках этой статьи пусть данные термины будут синонимами. Так всем будет проще.

Теперь, когда введение наконец закончилось, можно приступать к объяснениям. В данный момент, независимо от того, где вы находитесь, и что делаете, вы пребываете в движении. Движетесь вы не только в пространстве вместе со все планетой и даже галактикой, но и во времени – в будущее.

Проще всего понять это, представив себя в самолете. Современные аппараты летают так мягко, что вы можете даже не почувствовать никакого перемещения. Даже если вы выглянете в иллюминатор, скорее всего, не сможете наблюдать меняющиеся внизу пейзажи из-за большой высоты. А если еще и погода облачная, то подавно.

Перемещение на самолете

Как тогда узнать, что вы действительно движетесь? Очень просто – подождать. Когда самолет приземлится, вы окажетесь совершенно в другом месте, отличном от того, в которым вы были несколько часов назад. В реальной жизни вы, конечно же, будете осознавать, что самолет не может просто висеть в воздухе, да и увидите новые пейзажи при посадке. Но давайте отбросим все это для чистоты эксперимента.

Эта метафора отлично описывает вас прямо сейчас. Самолет – это все, что вас окружает в данный момент, весь мир. Даже сидя на одном месте, вы все равно пребываете в движении, потому что движетесь в новый день. И если конечная цель – долететь до «Завтра», вы никогда не сможете этого сделать, потому что каждый день – это сегодня. Каждый день мы пытаемся достичь этого мифического «завтра», но все наши попытки тщетны. И даже при этом мы останавливаемся и упорно продолжаем движение во времени вперед.

Даже если вы будете сидеть в своем кресле, а люди вокруг вас будут двигаться, вы прибудете в новый день в одно и то же время. Почему? Потому что для вас, ваших соседей, кота, попугая и любого другого существа время движется с одинаковой скоростью. Двигаться быстрее вы не сможете, потому что чем быстрее движетесь вы, тем медленнее – все вокруг вас. Даже будь вы Барри Алленом, вы и ваши окружающие все равно встречали бы следующий час одновременно. Просто вы за этот час могли бы сделать гораздо больше, и он показался бы вам намного длиннее, чем обычно.

Если вам все это понятно, давайте представлять дальше. Движение во времени можно сравнить какой-нибудь гоночной игрой, где вы управляете автомобилем, движущемся по дороге вперед. Он имеет автоматическое ускорение, поэтому вы не можете никак повлиять на скорость – вам остается лишь рулить.

Движение во времени

В игре вы, конечно, можете врезаться в препятствие и тем самым замедлиться или подобрать бонус ускорения, чтобы прийти к финишу быстрее. В жизни так, естественно, не получится. Вы можете рулить своей жизнью во Вселенной как хотите, но она все равно доставит вас в будущее одновременно со всеми. Ускорить или замедлить этот процесс вы не в состоянии.

Неважно, продолжите вы сейчас читать эту статью или закроете ее и станете заниматься другими делами. В каком бы направлении вы ни пошли, что бы ни делали, Самолет Вселенной прибудет в новый день точно по расписанию. Вы можете изменить свою скорость движения в пространстве, но никак не во времени.

Но как все это вообще относится к скорости света и тому, почему быстрее нее двигаться нельзя? Уже скоро все поймете. Давайте мысленно (или на бумаге, если хотите) нарисуем еще одну простую ассоциацию – график. Не беспокойтесь, он будет очень простым. Нарисуйте две стандартные оси, где ось X – это скорость движения в пространстве, а Y – во времени.

Теперь поставьте карандаш на пересечении двух осей и проведите линию ровно вертикально вверх (да, ровно по оси Y). Когда остановитесь, нарисуйте стрелочку. Полученный отрезок, а точнее луч, в физике называется 4-вектор или 4-скорость. Он определяет вашу текущую скорость движения в пространстве-времени. Сейчас, пока вы сидите на месте и рисуете этот график, вы движетесь именно так, только во времени, не перемещаясь в пространстве (опустим движение вместе с планетой). Сейчас вы неподвижны, значит относительно оси X ваша координата не меняется, так как ваша скорость в пространстве – 0 км/ч. А относительно Y вы все равно продолжаете двигаться вперед с равномерной скоростью, потому что во времени иначе нельзя. То есть, продолжая в том же духе, то есть ничего не делая, каждый новый час вы будете проходить за час. Логично правда?

График движения в пространстве и времени

Но что если вы начнете двигаться в пространстве? Тогда ваш 4-вектор начнет поворачиваться вправо. Эта стрелка по естественным причинам никогда не повернется вниз и влево от оси Y (потому что отрицательной скорости не бывает), однако она может быстрее или медленнее наклоняться к оси X в зависимости от того, насколько быстро вы движетесь.

Сейчас вы наверняка заметили, что стрелка уже не совпадает с игреком, а смотрит вбок, хотя все еще направлена вверх. Значит ли это, что скорость вашего передвижения во времени изменилась? Специальная теория относительности говорит, что да. Это эффект «замедления времени», который ощущается тем сильнее, чем быстрее вы движетесь. То есть, если вы будете бежать, почти как Флэш, ваш 4-вектор практически ляжет на ось X, замедлив ваше движение во времени чуть ли не до нуля. 4-вектор – индивидуален для каждого, поэтому все остальные вокруг этого не почувствуют. Они лишь увидят, что вы очень и очень быстро перемещаетесь из точки А в точку Б.

Вот теперь пришло время ответить на вопрос, почему «быстрее света» невозможно в принципе. Помните, что чем быстрее вы перемещаетесь, тем больше ваш 4-вектор наклоняется к оси X. Максимальное значение здесь – это скорость света. Когда вы достигнете ее, вектор полностью ляжет пространственную ось и вам покажется, будто время вокруг полностью остановилось. Что же будет, если продолжать наращивать скорость? 4-вектор не может стать больше или меньше, он всегда имеет одинаковый размер, а также он не может повернуться вниз, так движение назад во времени невозможно. Но, если вы продолжите увеличивать скорость и обгоните свет, вектор будет вынужден продолжать поворачиваться и все-таки зайдет за ось X, тем самым устремившись вниз по отношению к Y. То есть, если развить скорость быстрее света, вы начнете двигаться назад во времени, что в принципе невозможно, так как это, неожиданно, противоречит законам физики.

Даже если предположить, что вам удастся пересечь эту границу и двигаться быстрее света, вы все равно не сможете достичь точки Б быстрее него, так как начнете идти назад во времени. В итоге вы и свет прибудете в разные точки Б в разном времени. Ни одно событие во Вселенной не может произойти быстрее, чем движется свет. И это даже не говоря о том, что, опережая свет, вы не будете видеть ничего перед собой и станете практически бесконечно тяжелым. Как думаете, насколько длинным был бы ваш тормозной путь в этом случае?

Естественно, все эти сравнения и ассоциации не претендуют на звание «истинной истины», потому что даже самая ОТО все еще является теорией. Однако в рамках общепринятой школьной физики ваши познания только что стали чуточку больше.

Может ли специальная теория относительности объяснить, почему объекты не могут двигаться быстрее света?

Дон Линкольн, доктор философии, Национальная ускорительная лаборатория Ферми

Увеличивается ли масса по мере увеличения скорости? Почему мы не можем двигаться быстрее скорости света? Попробуем найти ответы на эти вопросы, используя понятия относительности и пространства-времени. Кроме того, давайте попробуем развенчать некоторые распространенные заблуждения, используя простые аналогии и математические уравнения.

Альберт Эйнштейн вывел уравнение специальной теории относительности: E=mc ² . (Изображение: векторная иллюстрация Satheesh Sankaran/Shutterstock)

Взаимосвязь между энергией, скоростью, массой и относительностью

Общеизвестно, что если вы увеличиваете скорость объекта, его энергия увеличивается, и, понятно, верно и обратное. . Когда уровни энергии меньше, теория относительности также работает, как и в классической физике. Но когда уравнения относительности используются на более высоких энергетических уровнях, эти предсказания классической физики не работают.

Скорость света, обозначаемая буквой «с», является универсальной константой и в числовом выражении равна 186 000 миль в секунду или 300 000 километров в секунду. Одним из следствий этого предположения является то, что массивные объекты не могут двигаться быстрее скорости света.

Типичная причина этого заключается в увеличении массы при увеличении скорости. Это утверждение кажется логичным, поскольку наша интуиция подсказывает нам, что если мы увеличиваем скорость объекта, его энергия увеличивается, и наоборот.

Математическое представление: скорость объекта увеличивается как квадратный корень из энергии. Однако по мере увеличения энергии скорость в теории относительности становится немного меньше, чем в классической теории. Независимо от того, насколько больше энергии передается объекту, скорость не меняется быстро и никогда не превышает скорость света. Ну, это определенно противоречит общепринятому мнению, и поэтому возникает вся идея массы, увеличивающейся с увеличением скорости.

Знакомое уравнение Альберта Эйнштейна E равно mc в квадрате дает техническое объяснение того, почему масса увеличивается с увеличением скорости. Однако это уравнение работает только тогда, когда объект неподвижен или имеет нулевую скорость. Когда объект движется, правильным уравнением для использования будет E равно gamma mc в квадрате, где термин gamma включает в себя скорость.

Это стенограмма из серии видео Понимание заблуждений науки . Смотри сейчас же, Вондриум.

Концепция пространства-времени

Пространство-время — более сложная концепция.
(Изображение: ktsdesign/Shutterstock)

Концепция пространства-времени немного сложна или, лучше сказать, вокруг нее существуют неверные представления. Концепция пространства реальна, ее можно определить и можно идентифицировать уникальную точку в пространстве.

Например, вы можете передвигаться в любом направлении или можете доехать до работы и вернуться домой. Но время другое; оно течет или движется постоянно только в одном направлении и его невозможно остановить. Это умственная конструкция, при которой вы можете думать только о прошлых или будущих событиях, но не можете туда попасть.

Исходя из этого рассуждения может показаться, что пространство и время — очень разные вещи, но на самом деле это может быть поспешным выводом.

Технически преобразования Лоренца доказывают, что пространство и время не могут быть разделены, поскольку уравнения просто смешивают их, используя две точки зрения наблюдателя со штрихом и без штриха.

Чтобы проиллюстрировать аналогию, человек, живущий в центре Соединенных Штатов, может двигаться с востока на запад и с севера на юг. Тем не менее, эффекты движения в двух направлениях различны, поскольку движение на восток/запад не сильно меняет температуру, которую вы испытываете, но движение на север/юг меняет. Тем не менее, нет никаких проблем с тем, чтобы признать, что все они являются компонентами направлений на карте.

Пространство-время можно понять с помощью этой аналогии, представьте, что движение влево/вправо аналогично пространству, а движение вверх/вниз аналогично времени. Другой важный момент, о котором следует помнить, заключается в том, что единственная скорость в пространстве-времени — это скорость света.

Узнайте больше о том, как работает квантовая механика.

Почему объекты не могут двигаться быстрее скорости света?

Пространство-время — ключевая концепция, объясняющая, почему объекты не могут двигаться быстрее скорости света. Мы поняли, что изменение массы со скоростью не является причиной того, что вещи не могут двигаться быстрее скорости света.

Мы попытаемся найти ответы на вопрос, почему объекты не могут двигаться быстрее скорости света, используя несколько аналогий и математических уравнений.

Давайте используем координатную геометрию, чтобы отметить стрелку скорости с концом стрелки в начале координат. Если стрелку можно вращать, мы получим разные проекции на оси x и y. Принимая во внимание скорость, математически это можно представить как v_x в квадрате плюс v_y в квадрате равно v в квадрате.

Следовательно, объект всегда движется с постоянной скоростью v. Он может двигаться либо полностью на север, либо полностью на восток, либо на северо-восток со скоростью, которая никогда не превысит v.

Следующим шагом будет замена осей x и y вышеприведенной алгебры на пространство и время соответственно. Горизонтальная ось для пространства может остаться как «x», а вертикальная ось для времени может быть переименована в «t».

Теперь начните вращать стрелку скорости, предполагая, что все объекты движутся со скоростью света в пространстве-времени. Предположим, что стрелка скорости указывает полностью во времени, это означает, что объект будет двигаться полностью во времени, а не в пространстве.

Затем поверните стрелку в направлении горизонтального пространства, и по мере того, как объект будет поворачиваться все ближе и ближе к горизонтальной оси, тем выше и выше будет его скорость в пространстве. В то же время у нас все меньше и меньше скорости во времени.

Когда стрелка указывает горизонтально, скорость полностью определяется пространством. Эта аналогия показывает, что объекты могут двигаться в пространстве со скоростью ниже скорости света и не могут двигаться в пространстве со скоростью выше скорости света.

Объекты могут двигаться в пространстве со скоростью ниже скорости света и не могут двигаться в пространстве со скоростью выше скорости света.
(Изображение: НАСА / общественное достояние)

Когда объекты движутся в пространстве-времени со скоростью света, и когда они движутся полностью в пространстве, а не во времени, невозможно получить большую скорость. Вся скорость через пространство.

Эта аналогия также показывает, что объект, очень быстро движущийся в пространстве, движется во времени очень медленно. Следовательно, объект, движущийся со скоростью света в пространстве, вообще не испытывает времени или, другими словами, застыл во времени.

Итак, настоящая причина, по которой мы не можем двигаться быстрее скорости света, заключается в том, что когда мы полностью движемся в пространстве, нам больше некуда набирать скорость. И это более точная причина, чем рассуждения об изменении масс.

Узнайте больше о том, можете ли вы двигаться быстрее света?

Предостережения к приведенному выше объяснению

Могут возникнуть количественные проблемы, если приведенное выше рассуждение будет расчленено, однако рассуждение качественно верно.
Рассуждения основаны на математике кругов, а именно: t в квадрате плюс х в квадрате равно константе в квадрате. Это имеет серьезные последствия для вычислений, поскольку теория относительности действительно построена на математике гипербол.

Общие вопросы о специальной теории относительности

В: Каковы три способа путешествовать со скоростью, близкой к скорости света?

Частицы могут быть ускорены почти до скорости света с помощью электромагнитных полей, магнитных взрывов и взаимодействия волн и частиц.

В: Что такое известное уравнение специальной теории относительности?

Специальная теория относительности объясняет, как связаны пространство и время для объектов, движущихся с постоянной скоростью. Знаменитое уравнение Эйнштейна E = mc2 является частью этой теории.

В: Почему было введено понятие релятивистской массы?

Идея релятивистской массы объекта была введена для упрощения понятия относительности. Оно было введено для вывода чего-то похожего на знакомое уравнение Эйнштейна.

Продолжайте читать

Объяснение специальной теории относительности Эйнштейна
Эйнштейн преждевременно отверг гёделевскую Вселенную?
Как Эйнштейн решил общую теорию относительности
Большое достижение Эйнштейна: общая теория относительности
От специальной к общей теории относительности

Почему ничто не может двигаться быстрее скорости света?

Все мы знаем правило дорожного движения номер один во вселенной: ничто не может двигаться быстрее скорости света. А это 299 792,458 километра в секунду. Но почему это так?

До 1600-х годов большинство людей считали, что свет движется мгновенно. Галилей одним из первых предположил, что свет движется с конечной скоростью.

В 1638 году он пытался его измерить. Он и помощник уселись на далеких вершинах гор с накрытыми фонарями. Идея заключалась в том, что как только помощник Галилея увидел вспышку, он открыл свой фонарь. Затем Галилей определял, сколько времени потребовалось, чтобы увидеть ответную вспышку. Эксперимент с треском провалился! Чтобы добиться успеха, Галилею пришлось бы зарегистрировать разницу во времени в микросекунды. У него не было такого хронометра, и его время реакции было бы намного медленнее.

Неустрашимый Галилей пришел к выводу, что движение света «если не мгновенное, то необычайно быстрое».

Но вскоре после этого, в 1676 году, мы получили достоверную оценку скорости света от молодого датского астронома по имени Оле Рёмер. Одним из способов, которым моряки в море проверяли свои часы, было наблюдение затмения Юпитера его спутником Ио. Время, за которое Ио совершила один полный оборот вокруг Юпитера, составило 1,769 дня. Однако возникла небольшая проблема.

Ремер заметил, что время между затмениями немного меняется в зависимости от времени года. В то время, когда Земля удалялась от Юпитера, время между затмениями Ио постепенно увеличивалось; по мере приближения время уменьшалось. Кумулятивный эффект означал, что предсказанное время могло быть ошибочным более чем на 10 минут.

Ремер понял, что его наблюдения можно объяснить различным расстоянием между Юпитером и Ио, а также Землей. Разное время обращения Ио отражало разные расстояния, которые должен был пройти свет. Это также позволило Ремеру оценить скорость света в 214 000 км/с. Неплохо!

Первое экспериментальное измерение скорости света произошло 150 лет спустя с Гипполи Физо. Он гениально усовершенствовал метод Галилея. В его эксперименте луч света проецировался на быстро вращающееся зубчатое колесо. Зубья вращающейся шестерни разбивают свет на очень короткие импульсы. Эти импульсы прошли около 8 километров до того места, где Физо поместил тщательно выровненное зеркало. На обратном пути отраженный световой импульс мог достичь Физо, только пройдя обратно через один из зазоров в зубчатом колесе.

Что случилось? На малых скоростях световой импульс всегда возвращался к Физо через один и тот же зазор в зубцах шестерни. Но по мере того, как Физо крутил колесо быстрее, при определенной скорости пульс блокировался следующим зубом. Таким образом, зная скорость вращения, Физо мог рассчитать, сколько времени свету требуется, чтобы пройти 16 километров, и, следовательно, с какой скоростью должен двигаться свет. Его замечательный результат в 315 000 км/с был в пределах 5% от наших самых последних измерений с использованием лазеров.

Чем быстрее что-то движется, тем массивнее оно становится и тем больше замедляется время — пока вы, наконец, не достигнете скорости света, после чего время полностью остановится.

ОК. Мы знаем, что свет распространяется с конечной скоростью. Но почему он конечен?

Этот вопрос заставил Альберта Эйнштейна задуматься. Если свет имеет конечную скорость, что, если вы привяжете фонарик к передней части движущейся ракеты? Разве свет, исходящий от этого факела, не будет двигаться быстрее скорости света? Эйнштейн ломал голову над этой проблемой с помощью нескольких «мысленных экспериментов» и пришел к сумасшедшему решению: движение объекта должно каким-то образом замедлять время. Время больше не было постоянным, и так родилась относительность.

Многие эксперименты тщательно проверяли предсказания Эйнштейна.

В 1964 году Билл Бертоцци из Массачусетского технологического института ускорил электроны до определенного диапазона скоростей. Затем он измерил их кинетическую энергию и обнаружил, что по мере того, как их скорости приближались к скорости света, электроны становились все тяжелее и тяжелее — до тех пор, пока они не становились настолько тяжелыми, что их нельзя было заставить двигаться еще быстрее. С какой максимальной скоростью он сможет заставить электроны двигаться, прежде чем они станут слишком тяжелыми, чтобы ускоряться дальше? Скорость света.

В ходе еще одного важного испытания физики Джозеф Хафеле и Ричард Э. Китинг управляли синхронизированными сверхточными цезиевыми атомными часами в различных кругосветных путешествиях на коммерческих авиалайнерах. После путешествий все движущиеся часы не согласовывались друг с другом и с эталонными часами в лаборатории. Время шло медленнее для движущихся часов, как и предсказывал Эйнштейн. Таким образом, чем быстрее что-то движется, тем массивнее оно становится, и тем больше замедляется время — пока вы, наконец, не достигнете скорости света, после чего время полностью остановится. А если время останавливается, то и скорость тоже. И поэтому ничто не может двигаться быстрее скорости света.

Кстати, в следующий раз, когда вы будете пользоваться своим смартфоном, имейте в виду, что спутники GPS, вращающиеся вокруг Земли, должны учитывать замедление времени (замедление времени). Отключите эти релятивистские поправки, и современный мир будет потерян навсегда.

Связанное чтение: Была ли скорость света выше в начале?

Получайте новости о научных новостях прямо на свой почтовый ящик.