Путешествие по вселенной со скоростью света: Космический корабли летящие со скоростью света: в чем сложность, видео |

Содержание

Возможны ли путешествия со скоростью света?

В научно-фантастических фильмах зрители часто видят, как космические корабли бороздят просторы Вселенной со скоростью света. Они с невероятной легкостью доставляют людей к далеким звездам. Ну что поделать – фантастика есть фантастика! Однако тем людям, которые не любят фантазировать, и которые закончили скучные технические ВУЗы становится просто не по себе, когда на экранах кинотеатров разворачиваются подобные противоестественные события. И тогда они встают прямо посреди сеанса, и начинают искать глазами в темноте выход из кинозала. После чего долго и нудно убеждают кассира вернуть деньги. На том основании, что это не кино, а полная чушь! Ну как могут космические корабли летать со скоростью света? Это же форменное безобразие! Это же дети смотрят! Какое у них сложиться представление об этом мире! Абсолютно ложное! И кричат потом эти люди на всю улицу, размахивая так и не сданным назад билетом:

Я скажу всем, до чего довел страну этот фигляр ПэЖэ!!!😁 (с).

Физика против полетов со скоростью света

Итак, давайте попробуем разобраться, отчего же так разошелся выпускник технического ВУЗа. И прав ли он, когда утверждает, что путешествия со скоростью света невозможно?

Людям, немного знающим физику, известно, что чем сильнее ускоряется любой материальный объект, тем больше энергии требуется для этого ускорения. И чтобы разогнать любое тело до скорости света, или даже близко к ней, у нас просто не хватит топлива!

Но предположим, что мы нашли какой-то неисчерпаемый источник энергии. И прикрутили его к задней части нашего космического корабля. Ближайшая к нам звезда – Альфа Центавра. Если бы мы полетели туда со скоростью света, нам бы потребовалось более четырех лет, чтобы добраться до точки назначения!

Возможно, это не так страшно для беспилотных миссий. Но как быть с людьми? Смогут ли они выдержать четыре года в крошечном космическом корабле, предоставленные сами себе? Ответ очевиден. Даже если ученым удастся построить сверхбыстрые космические корабли (что несомненно потребует использования революционных новых технологий), люди пока не готовы обитать в замкнутых пространствах такие интервалы времени.

К тому же, все что нужно человеку для выживания, занимает много места. И много весит. Если бы мы смогли производить новые материалы, которые были бы намного легче, чем сегодня, возможно люди из далекого будущего могли бы достигать других звезд со скоростью, близкой к скорости света. Но это точно нельзя сделать в наши дни.

Исследование космоса будет постоянно бросать вызов ученым. Потому что этот процесс требует от нас преодоления множества препятствий. Однако это не значит, что мы должны перестать мечтать о путешествиях со скоростью света! Ведь кто знает! Возможно, в далеком будущем люди все же смогут это сделать.

Однако в наши дни теоретически невозможно путешествовать со скоростью света. Но почему?

На этом первая часть статьи окончена. Дальше будет физика и математика.

Почему даже теоретически невозможно путешествовать со скоростью света?

Давайте все же подробнее разберемся, почему же невозможно двигаться быстрее скорости света. И для начала вспомним достаточно знаменитое и хорошо известное уравнение: E = mc². Его вывел Альберт Эйнштейн. Я думаю что этот известный ученый не нуждается в представлении. Теория относительности, особенно специальная теория относительности, ключевая формула которой всем известна, является важной вехой в этой области физики. Из чего же состоит это уравнение?

E = mc 2
Где
E: энергия.
м: масса объекта.
c: скорость света, которая в формуле возведена в квадрат
Скорость света в вакууме имеет значение 299 792 458 метров в секунду (приблизительно 300 000 км/с).

Что мы можем полезного извлечь из этой формулы? Она говорит нам, что полную энергию можно вычислить, умножив массу тела на квадрат скорости света. То есть нам становится ясно, что когда есть масса, то есть и энергия. И даже в маленькой песчинке содержится ее колоссальное количество!

В движении

Приведенная выше формула учитывает энергию только в состоянии покоя. Поэтому она не является исчерпывающей. К этой формуле необходимо добавить еще один фактор, чтобы полностью понять, почему мы не можем путешествовать со скоростью света.

Эту энергию, связанную с импульсом, можно описать следующей формулой:

E2 = (mc2)2 + (pc)2 где:
E: энергия.
m: масса
c: скорость света.
p: импульс объекта, который получается путем умножения массы объекта на его скорость (p = mv).

Другими словами, полная энергия тела складывается из его энергии покоя (mc 2) 2 и энергии, связанной с движением (pc 2) 2. Повышение скорости приведет к увеличению значения «p», что означает, что чем больше энергии находится в движении, тем больше это приводит к увеличению массы. А чем больше становится массы, тем больше нужно энергии, чтобы продолжать ускоряться.

Пока выполняется это уравнение, масса и энергия взаимозаменяемы как физические сущности. В результате этой эквивалентности масса объекта будет стремительно расти по мере увеличения его энергии из-за продолжающегося ускорения.

Итак, мы выяснили, что чем быстрее движется объект, тем больше его масса. Но становится это очевидно только тогда, когда объект движется с очень высокой скоростью. Если он движется со скоростью в 10 процентов от скорости света, его масса будет всего на 0,5 процента больше обычной. Но если он будет двигаться со скоростью в 90 процентов от скорости света, его масса удвоится. А когда объект попытается достигнуть скорости света, его масса и энергия, необходимая для движения, станут бесконечными.

Именно поэтому любому телу, имеющему массу покоя, двигаться со скоростью света не получится ни при каких раскладах.

«Какое время продлится путешествие до ближайшей звёзды, двигаясь со скоростью света?» — Яндекс Кью

О сообществе

Астрономия

Тёмная материя и сверхновые, гравитационные волны и квазары, Солнце и другие звёзды, планеты Солнечной системы и их спутники, астероиды и пульсары, чёрные дыры и туманности, галактики и их скопления, а также множество других тем. Задавайте вопросы, пишите посты, делитесь всем интересным тут 👇🏻

Существует ли нечто, способное передвигаться быстрее скорости света?

Если представить, что человечество построит корабль, способный разогнаться до скорости света с космонавтом на борту, то какие явления будут с ним происходить?

Общие сведения

Впервые о скорости света высказался физик-теоретик Альберт Эйнштейн в 1905 году, показав всем известную на сегодняшний день формулу:

E = m*c ²

Формула указывает на взаимосвязь между полной энергией тела (E) и его массой (m). Причём скорость света (с) – есть величина постоянная, приблизительно 300 000 км/с.

Пока что человеку удалось достичь 11.1 км/с (0.003% от скорости света). Произошло событие в миссии «Аполлон — 10» (подготовка к отправке на Луну, май 1969). На высоте 121 км над уровнем Земли корабль разогнался до рекордной скорости с экипажем на борту, которая и осталась не побитой до сих пор.

Явления при скорости света

Если представить, что человечеству удалось создать уникальный корабль, который сможет увеличить скорость равную световой, посадить в него космонавта испытателя, то произойдут с ним как минимум 4 случая.

1. Время остановится

Мы живём в четырёхмерном измерении (пространство-время). Кроме трёх направлений есть ещё четвёртое – время. Даже если человек будет просто валяться на кровати, он всё равно будет перемещаться во времени вперёд.

Однако есть взаимосвязь между скоростью и временем. Чем быстрее он начинает перемещаться, тем медленнее течёт время. Если он начнёт двигаться со скоростью света, то время полностью для него остановится. Он попадёт в будущее.

2. Увеличение массы тела

В Большом Адронном Коллайдере был проведён эксперимент с ускорением электрона (отрицательно заряженная частица). Масса электрона в состоянии покоя ничтожно мала 9.1 х 10⁻³¹ кг. Электрон уже разогнали до 250 000 км/с. Масса электрона увеличилась до 2 кг. Чем ближе объект к скорости света, тем сильнее увеличивается его масса.

Если взять обычного человека с массой тела 80 кг, то при скорости 250 000 км/c его масса станет 80 нониллион кг (10 *30). При световой скорости масса его тела будет безгранично увеличиваться вместе с кораблём.

Свет представляет собой направленные частицы фотонов. В состоянии покоя фотоны не имеют массу. Если бы у них была какая-нибудь масса, то тогда свет разрушал бы абсолютно всё на своём пути.

3. Сокращение размеров тела

Хоть первые 2 фактора теоретически не являются смертельными, то здесь смерти космонавту никак не избежать. При приближении к световой скорости, длина человека с кораблём начнёт резко уменьшаться до размеров атомов. Здесь уже человеку не удастся выйти сухим из воды.

4. Смертельная радиация

Космос не является полностью вакуумным. На 90% состоит из атомов водорода, остальные 10% — атомы гелия (речь идёт о четырёхпроцентной составляющей Космоса, которая понятна человеку: вещества из атомов, остальные 96%, непознанное: тёмная материя, тёмная энергия — прим. автора).

В Космосе космический корабль сталкивается с небольшим количеством атомов водорода, столкновения никак неощутимы. Приближаясь к световой скорости, атомы начнут прожигать корабль и космонавта насквозь. Смертельная доза радиации для человека 6 — 8 Зиверт.

При световой скорости доза превысит в 2000 раз. Человек не проживёт и двух секунд. Никакой защиты на сегодняшний день не существует, если только прицепить алюминиевую броню к космическому кораблю толщиной несколько сотен метров, что неактуально.

Заключение

Движение на световой скорости пока только возможно в фантастических романах. В начале 20-го века никто бы не поверил, что человек уже через несколько десятков лет побывает в Космосе. Прогресс очевиден.

В начале 21-го учёные научились разгонять отдельные частицы (протоны) до практически световой скорости (на 3 м/с медленнее) с помощью Большого Адронного Коллайдера. Как знать, возможно через тысячу лет человечество покорит скорость света.

Что увидит человек, летящий со скоростью света

Научные достижения все чаще поражают воображение. Еще в прошлом столетии человек приблизился к космосу и смог полететь на Луну. Остальные же планеты и объекты Солнечной системы пока недоступны для космонавтов.

Основной преградой для таких путешествий является недостаток скорости передвижения космических кораблей. Почему астронавты до сих пор не летают со скоростью света? И что бы увидел человек, набравший такую скорость в космосе?

Бесконечность – все-таки предел?

Как известно, скорость света в вакууме примерно равна 300,000 км/с. Согласно Теории Относительности, данная величина является постоянной. Быстрее этой скорости не может двигаться ни один объект во Вселенной.

Пока что человек достиг только отметки 40000 км/час. Данная скорость была зарегистрирована в 1969 году. Тогда астронавты в капсуле облетели вокруг Луны.

Но возможно ли, чтобы человек путешествовал со скоростью света? На самом деле нет. Все потому что масса и энергия эквивалентны друг другу.

Это значит, что при развитии скорости, близкой к скорости света, масса движущегося объекта будет экспоненциально увеличиваться. В конце концов, его масса станет просто бесконечной. Соответственно, чтобы воздействовать на такой объект, понадобится бесконечное количество энергии.

Свет же, который состоит из фотонов, движется с такой скоростью. Все потому что фотоны не имеют массы. А значит, для движения им совсем не требуется энергия.

Но все-таки теоретически вполне возможно двигаться на 99,99% от скорости света. Что же будет чувствовать человек, двигаясь с почти световой скоростью?

Релятивистский эффект

Для человека, движущегося со скоростью близкой к скорости света (релятивистской), время очень сильно замедлится. И чем быстрее будет разгоняться объект, тем сильнее будет замедляться с точки зрения движущегося объекта время.

Например, человек находится на борту космического корабля, который преодолевает расстояние со скоростью, равной 99.999999% световой скорости. С точки зрения земного наблюдателя он потратит примерно 12 месяцев, чтобы добраться до планеты, отдаленной от него на один световой год. Однако восприятие самого космонавта будет таково, что на преодоление этого расстояния у него уйдет всего лишь час с небольшим.

Таким образом, путешествуя со скоростью чуть меньшей скорости света, космонавт еще долго не будет стареть. Однако, проблемы будут в другом.

Согласно Теории Относительности, масса тела такого путешественника будет увеличиваться по мере того, как будет расти его скорость передвижения. Человек, вес тела которого равен 65 килограммам, на скорости 90% от световой будет чувствовать, что весит он все 150 килограмм.

Что можно будет увидеть?

Двигаясь на таких скоростях, путешественник будет видеть Вселенную, летящую ему навстречу, как бы через иллюминатор. Звезды, приближающиеся к кораблю, будут казаться синими полосами. А звезды отдаляющиеся – красными.

Это обусловлено тем, что световые длины волн, испускаемые звездами впереди, становились бы короче для наблюдателя. Длины волны от звезд позади наоборот бы удлинялись. А от длины волны и зависит цвет, который мы воспринимаем глазом.

Однако, преодолев определенную отметку на “космическом спидометре”, путешественник погрузится во тьму. Спектр волн, излучаемых звездами для объекта, несущегося на таких скоростях, не будет уже улавливаться глазом.

Но что если бы человек мог двигаться, как фотон, ровно со скоростью света? Что бы он тогда увидел?

Как уже было сказано, чем выше скорость объекта, тем сильнее для него замедляется время. Исходя из этого, время для фотона просто не существует. Будь это час, год или миллиарды лет – любой отрезок времени для такого объекта равен нулю.

Если бы человек летел со скоростью фотона, он бы не видел ничего. Так как для того, чтобы что-то увидеть, нужно время. А если оно равно нулю, то невозможны никакие действия со стороны летящего объекта.

Можем ли мы двигаться быстрее скорости света?

Можно ли двигаться быстрее скорости света или нет? Ответ — нет. Универсальный предел скорости, который мы обычно называем скоростью света, является фундаментальным для того, как работает Вселенная. Трудно представить себе это, если вы никогда не слышали об этом раньше, но ученые обнаружили, что чем быстрее вы движетесь, тем больше сжимается ваше пространственное измерение в прямом направлении и тем медленнее идут ваши часы при просмотре со стороны внешнего наблюдателя. Другими словами, пространство и время не являются фиксированным фоном, на котором все происходит так же, как и всегда. Вместо этого пространство и время могут искривляться.

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

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

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

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

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

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

Например, если червоточины существуют, мы можем использовать их, чтобы сократить путь от Земли к Альфа Центавра. По сравнению с небольшим количеством света, который прошел от Земли к Альфа Центавра и не прошел через червоточину, вы бы путешествовали быстрее. Другими словами, вы бы первыми достигли звезды. Это разрешено, потому что вы никогда не превышали локально скорость света. Если другой луч света был направлен от Земли до Альфа Центавра и прошел через червоточину вместе с нами, мы никак не смогли его обогнать.

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

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

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

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

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

Об этом говорит Постоянная Хаббла — идея о том, что на каждый мегапарсек расстояния между нами и далекой галактикой скорость, разделяющая нас, увеличивается примерно на 71 километр в секунду. Галактики, разделенные двумя парсеками, будут увеличивать свою скорость на 142 километра каждую секунду. Как только вы выйдете на расстояние 4200 мегапарсек, две галактики будут улетать друг от друга со скоростью, превышающей скорость света.

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

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

Свет, излучаемый галактиками, движется к нам, в то время как сама галактика удаляется от нас, поэтому фотоны, испускаемые всеми звездами галактики, все еще могут достигать нас. Эти длины волн света растягиваются и скользят дальше в красный конец спектра, уходя в инфракрасные, микроволновые и даже радиоволны. Со временем фотоны растянутся так далеко, что мы вообще не сможем обнаружить галактику.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Теперь мы можем поговорить о нескольких исключениях и отступлениях.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Дрожь электронов на Солнце также испускает фотоны в огромных количествах, которые образуют свет, дающий жиз

Как быстро движется свет? | Скорость света

Скорость света — это предел скорости всего в нашей Вселенной. Или это?
(Изображение предоставлено: Гетти/Юичиро Чино)

Скорость света, проходящего через вакуум, составляет ровно 299 792 458 метров (983 571 056 футов) в секунду. Это около 186 282 миль в секунду — универсальная постоянная, известная в уравнениях как «с» или скорость света.

По словам физика Альберта Эйнштейна специальной теории относительности , на котором основана большая часть современной физики, ничто во Вселенной не может двигаться быстрее света. Теория утверждает, что по мере того, как материя приближается к скорости света, масса материи становится бесконечной. Это означает, что скорость света действует как предел скорости для всей вселенной . Скорость света настолько неизменна, что, согласно стандарту Национального института стандартов и технологий США , она используется для определения международных стандартных единиц измерения, таких как метр (и, соответственно, миля, фут и дюйм). С помощью некоторых хитрых уравнений он также помогает определить килограмм и единицу измерения температуры 9.0005 Кельвин .

Но, несмотря на репутацию скорости света как универсальной константы, ученые и писатели-фантасты проводят время, размышляя о путешествиях со скоростью, превышающей скорость света. До сих пор никому не удавалось продемонстрировать настоящий варп-двигатель, но это не замедлило нашего коллективного стремления к новым историям, новым изобретениям и новым областям физики.

Родственный: Специальная теория относительности выдерживает испытание высокой энергией

Что такое световой год?

A l световой год — это расстояние, которое свет может пройти за один год — около 6 триллионов миль (10 триллионов километров). Это один из способов, которым астрономы и физики измеряют огромные расстояния в нашей Вселенной.

Свет проходит от луны к нашим глазам примерно за 1 секунду, что означает, что луна находится примерно в 1 световой секунде от нас. Солнечному свету требуется около 8 минут, чтобы достичь наших глаз, поэтому солнце находится на расстоянии около 8 световых минут. Свет от Альфа Центавра , которая является ближайшей к нам звездной системой, требует примерно 4,3 года, чтобы добраться сюда, поэтому Альфа Центавра находится на расстоянии 4,3 световых года.

«Чтобы получить представление о величине светового года, возьмите окружность Земли (24 900 миль), разложите ее по прямой линии, умножьте длину линии на 7,5 (соответствующее расстояние равно одному световому -второй), затем разместите 31,6 миллиона одинаковых строк от начала до конца», — говорится на веб-сайте Исследовательского центра Гленна НАСА (открывается в новой вкладке). «В результате расстояние составляет почти 6 триллионов (6 000 000 000 000) миль!»

Звезды и другие объекты за пределами нашей солнечной системы находятся на расстоянии от нескольких световых лет до нескольких миллиардов световых лет. И все, что астрономы «видят» в далекой Вселенной, буквально является историей. Когда астрономы изучают объекты, находящиеся далеко, они видят свет, который показывает объекты такими, какими они существовали в то время, когда свет покинул их.

Этот принцип позволяет астрономам увидеть Вселенную такой, какой она была после Большого Взрыва , произошедшего около 13,8 миллиардов лет назад. Объекты, находящиеся на расстоянии 10 миллиардов световых лет от нас, кажутся астрономам такими, какими они выглядели 10 миллиардов лет назад — относительно скоро после возникновения Вселенной, — а не такими, какими они выглядят сегодня.

Родственный: Почему вселенная — это история

Как мы узнали скорость света?

Аристотель, Эмпедокл, Галилей (на фото), Оле Рёмер и бесчисленное множество других философов и физиков в истории рассматривали скорость света. (Изображение предоставлено НАСА)

Еще в V веке греческие философы, такие как Эмпедокл и Аристотель, расходились во мнениях относительно природы скорости света. Эмпедокл предположил, что свет, из чего бы он ни состоял, должен двигаться и, следовательно, должен иметь скорость движения. Аристотель опроверг точку зрения Эмпедокла в собственном трактате 9.0005 О Чувстве и Разуме (открывается в новой вкладке), утверждая, что свет, в отличие от звука и запаха, должен быть мгновенным. Аристотель, конечно, ошибался, но чтобы доказать это, потребуются сотни лет.

В середине 1600-х годов итальянский астроном Галилео Галилей поставил двух человек на холмы менее чем в миле друг от друга. Каждый человек держал экранированный фонарь. Один раскрыл свой фонарь; когда другой человек увидел вспышку, он тоже раскрыл свою. Но экспериментального расстояния Галилея было недостаточно для того, чтобы его участники могли зафиксировать скорость света. Он мог только заключить, что свет движется как минимум в 10 раз быстрее звука.

В 1670-х годах датский астроном Оле Рёмер пытался создать надежное расписание для моряков в море и, согласно НАСА , случайно придумал новую наилучшую оценку скорости света. Чтобы создать астрономические часы, он записал точное время затмений луны Юпитера , Ио, с Земли . Со временем Рёмер заметил, что затмения Ио часто отличаются от его расчетов. Он заметил, что затмения отставали больше всего, когда Юпитер и Земля удалялись друг от друга, появлялись раньше времени, когда планеты приближались, и происходили по расписанию, когда планеты находились в своих ближайших или самых дальних точках. Это наблюдение продемонстрировало то, что мы сегодня знаем как эффект Доплера, изменение частоты света или звука, излучаемого движущимся объектом, что в астрономическом мире проявляется как так называемое -красное смещение , сдвиг в сторону «более красных», более длинных волн в объекты, быстро удаляющиеся от нас. Опираясь на интуицию, Рёмер определил, что свету требуется измеримое время, чтобы добраться от Ио до Земли.

Рёмер использовал свои наблюдения для оценки скорости света. Поскольку размер Солнечной системы и орбита Земли еще не были точно известны, утверждалось в статье 1998 года в American Journal of Physics , он немного ошибся. Но, наконец, у ученых появилось число, с которым можно было работать. По расчетам Ремера, скорость света составляет около 124 000 миль в секунду (200 000 км/с).

В 1728 году английский физик Джеймс Брэдли провел новый набор расчетов на основе изменения видимого положения звезд, вызванного движением Земли вокруг Солнца. Он оценил скорость света в 185 000 миль в секунду (301 000 км/с) — с точностью до 1 % от реального значения. 0005 Американское физическое общество (открывается в новой вкладке).

Две новые попытки в середине 1800-х вернули проблему на Землю. Французский физик Ипполит Физо направил луч света на быстро вращающееся зубчатое колесо с зеркалом, установленным на расстоянии 5 миль (8 км), чтобы отразить его обратно к источнику. Изменение скорости колеса позволило Физо рассчитать, сколько времени потребовалось свету, чтобы выйти из отверстия к соседнему зеркалу и обратно через зазор. Другой французский физик, Леон Фуко, использовал вращающееся зеркало, а не колесо, чтобы выполнить практически тот же самый эксперимент. Каждый из двух независимых методов показал точность около 1000 миль в секунду (1609км/с) скорости света.

15 августа 1930 года в Санта-Ана, штат Калифорния, д-р Альберт А. Майкельсон стоял рядом с вакуумной трубкой длиной в милю, которая будет использоваться в его последнем и самом точном измерении скорости света. (Изображение предоставлено Getty/Bettman)

Другим ученым, который разгадал тайну скорости света, был уроженец Польши Альберт А. Майкельсон, выросший в Калифорнии в период золотой лихорадки в штате и отточивший свой интерес к физике во время учебы в Военно-морском флоте США. Академия, согласно Университет Вирджинии (открывается в новой вкладке). В 1879 году он попытался воспроизвести метод определения скорости света Фуко, но Майкельсон увеличил расстояние между зеркалами и использовал очень качественные зеркала и линзы. Результат Майкельсона 186 355 миль в секунду (299 910 км / с) считался самым точным измерением скорости света за 40 лет, пока Майкельсон не измерил его сам. Во втором раунде экспериментов Майкельсон посветил светом между двумя горными вершинами с тщательно измеренными расстояниями, чтобы получить более точную оценку. И в третьей попытке незадолго до смерти в 1931, согласно журналу Смитсоновского института Air and Space , он построил разгерметизированную трубу длиной в милю из гофрированной стальной трубы. Трубка имитировала почти вакуум, который устранял бы любое влияние воздуха на скорость света для еще более точного измерения, которое в итоге оказалось лишь немного ниже принятого сегодня значения скорости света.

Майкельсон также изучал природу самого света, написал астрофизик Итан Сигал в научном блоге Forbes, Starts With a Bang (откроется в новой вкладке). Лучшие умы физиков во время экспериментов Майкельсона разделились: был ли свет волной или частицей?

Майкельсон вместе со своим коллегой Эдвардом Морли исходил из предположения, что свет движется как волна, как и звук. И точно так же, как звуку нужны частицы для движения, рассуждали Майкельсон, Морли и другие физики того времени, свет должен иметь какую-то среду для движения. Это невидимое, необнаружимое вещество было названо «светоносным эфиром» (также известным как «эфир»).

Хотя Майкельсон и Морли построили сложный интерферометр (самую простую версию прибора, используемого сегодня в установках LIGO ), Майкельсон не смог найти доказательств существования какого-либо светоносного эфира. Он определил, что свет может путешествовать и действительно путешествует в вакууме.

«Эксперимент — и вся работа Майкельсона — были настолько революционными, что он стал единственным человеком в истории, получившим Нобелевскую премию за очень точное отсутствие открытия чего бы то ни было», — писал Сигал. «Сам эксперимент, возможно, был полным провалом, но то, что мы из него узнали, было большим благом для человечества и нашего понимания Вселенной, чем любой успех!» 92. Уравнение описывает взаимосвязь между массой и энергией — небольшие количества массы (m) содержат или состоят из огромного количества энергии (E). (Вот что делает ядерные бомбы такими мощными: они преобразуют массу во взрывы энергии.) Поскольку энергия равна массе, умноженной на квадрат скорости света, скорость света служит коэффициентом преобразования, точно объясняющим, сколько энергии должно быть внутри материи. А поскольку скорость света — это такое огромное число, даже небольшое количество массы должно равняться огромному количеству энергии.

Чтобы точно описать вселенную, элегантное уравнение Эйнштейна требует, чтобы скорость света была неизменной константой. Эйнштейн утверждал, что свет движется через вакуум, а не через какой-либо светоносный эфир, и таким образом, что он движется с одной и той же скоростью независимо от скорости наблюдателя.

Подумайте об этом так: наблюдатели, сидящие в поезде, могут смотреть на поезд, движущийся по параллельному пути, и думать о его относительном движении как о нуле. Но наблюдатели, движущиеся почти со скоростью света, все равно будут воспринимать свет как удаляющийся от них со скоростью более 670 миллионов миль в час. (Это потому, что двигаться очень, очень быстро — один из немногих подтвержденных методов путешествие во времени — время на самом деле замедляется для тех наблюдателей, которые стареют медленнее и воспринимают меньше моментов, чем наблюдатель, движущийся медленно.)

Другими словами, Эйнштейн предположил, что скорость света не зависит от времени или места. что вы его измеряете, или как быстро вы сами движетесь.

Следовательно, объекты с массой никогда не могут достичь скорости света. Если бы объект когда-нибудь достиг скорости света, его масса стала бы бесконечной. И в результате энергия, необходимая для перемещения объекта, также стала бы бесконечной: это невозможно.

Это означает, что если мы основываем наше понимание физики на специальной теории относительности (что делает большинство современных физиков), скорость света является непреложным пределом скорости нашей Вселенной — максимальной скоростью, на которой может двигаться что-либо.

Что движется быстрее скорости света?

Хотя скорость света часто называют пределом скорости Вселенной, на самом деле Вселенная расширяется еще быстрее. Вселенная расширяется со скоростью немногим более 42 миль (68 километров) в секунду на каждый мегапарсек расстояния от наблюдателя, писал астрофизик Пол Саттер в предыдущей статье для журнала 9.0005 Space.com . (Мегапарсек составляет 3,26 миллиона световых лет — это очень большой путь.)

Другими словами, галактика, удаленная на 1 мегапарсек, удаляется от Млечного Пути со скоростью 42 мили в секунду (68 км/с). с), в то время как галактика, находящаяся на расстоянии двух мегапарсеков, удаляется со скоростью почти 86 миль в секунду (136 км/с) и так далее.

«В какой-то момент на каком-то непристойном расстоянии скорость зашкаливает и превышает скорость света, и все это от естественного, регулярного расширения пространства», — объяснил Саттер. «Кажется, это должно быть незаконно, не так ли?»

Специальная теория относительности обеспечивает абсолютный предел скорости во Вселенной, согласно Саттеру, но теория Эйнштейна 1915 года относительно общей теории относительности допускает другое поведение, когда физика, которую вы изучаете, больше не является «локальной».

«Галактика на дальнем конце вселенной? Это область общей теории относительности, а общая теория относительности говорит: какая разница! Эта галактика может иметь любую скорость, какую захочет, пока она остается далеко, а не рядом тебе в лицо», — написал Саттер. «Специальную теорию относительности не волнует скорость — сверхсветовая или какая-то другая — далекой галактики. И вам тоже не стоит».

Свет когда-нибудь замедляется?

Свет движется медленнее в алмазе, чем в воздухе, и он движется в воздухе немного медленнее, чем в вакууме. (Изображение предоставлено Shutterstock)

Обычно считается, что свет в вакууме распространяется с абсолютной скоростью, но свет, проходящий через любой материал, может быть замедлен. Величина, на которую материал замедляет свет, называется его показателем преломления. Свет изгибается при контакте с частицами, что приводит к уменьшению скорости.

Например, свет, проходящий через атмосферу Земли, движется почти так же быстро, как свет в вакууме, замедляясь всего на три десятитысячных скорости света. Но свет, проходящий через алмаз, замедляется менее чем вдвое по сравнению с обычной скоростью, сообщает PBS NOVA . Тем не менее, он движется через драгоценный камень со скоростью более 277 миллионов миль в час (почти 124 000 км/с) — достаточно, чтобы изменить ситуацию, но все же невероятно быстро.

Свет может быть захвачен — и даже остановлен — внутри ультрахолодных облаков атомов, согласно исследованию 2001 года, опубликованному в журнале 9.0005 Природа (откроется в новой вкладке). Совсем недавно в исследовании 2018 года, опубликованном в журнале Physical Review Letters , был предложен новый способ остановить свет на его пути в «исключительных точках» или местах, где два отдельных световых излучения пересекаются и сливаются в одно.

Исследователи также пытались замедлить свет, даже когда он движется в вакууме. Группа шотландских ученых успешно замедлила одиночный фотон или частицу света, даже когда он двигался в вакууме, как описано в их исследовании 2015 года, опубликованном в журнале 9.0005 Наука (откроется в новой вкладке). В их измерениях разница между замедленным фотоном и «обычным» фотоном составляла всего несколько миллионных долей метра, но это продемонстрировало, что свет в вакууме может быть медленнее, чем официальная скорость света.

Можем ли мы путешествовать быстрее света?

Истории по теме:

Научная фантастика любит идею «скорости деформации». Путешествия со скоростью, превышающей скорость света, делают возможными бесчисленные научно-фантастические франшизы, уплотняя бескрайние просторы космоса и позволяя персонажам с легкостью перемещаться между звездными системами и обратно.

Но хотя путешествия со скоростью, превышающей скорость света, не гарантированно невозможны, нам нужно использовать довольно экзотическую физику, чтобы заставить это работать. К счастью для энтузиастов научной фантастики и физиков-теоретиков, существует множество возможностей для изучения.

Все, что нам нужно сделать, это понять, как не двигаться самим — поскольку специальная теория относительности гарантирует, что мы будем уничтожены, прежде чем мы достигнем достаточно высокой скорости, — а вместо этого перемещать пространство вокруг нас. Легко, верно?

Одна из предложенных идей включает в себя космический корабль, который мог бы свернуть вокруг себя пространственно-временной пузырь. Звучит здорово, как в теории, так и в художественной литературе.

«Если бы капитан Кирк был вынужден двигаться со скоростью наших самых быстрых ракет, ему потребовалось бы сто тысяч лет, чтобы добраться до следующей звездной системы», — сказал Сет Шостак, астроном из Поиска внеземного разума (SETI). ) Институт в Маунтин-Вью, Калифорния, в интервью 2010 года дочернему сайту Space.com LiveScience . «Поэтому научная фантастика уже давно постулировала способ преодолеть скорость светового барьера, чтобы история могла развиваться немного быстрее».

Без путешествий со скоростью, превышающей скорость света, любой «Звездный путь» (или, если на то пошло, «Звездная война») был бы невозможен. Если человечеству суждено когда-нибудь добраться до самых дальних и постоянно расширяющихся уголков нашей вселенной, физики будущего должны будут смело отправиться туда, куда еще не ступала нога человека.

Дополнительные ресурсы

Чтобы узнать больше о скорости света, воспользуйтесь этим забавным инструментом из Academo (открывается в новой вкладке), который позволяет визуализировать, с какой скоростью свет может перемещаться из любого места на Земле в любое другое. Если вас больше интересуют другие важные числа, познакомьтесь с универсальными константами, которые определяют стандартные системы измерения по всему миру с помощью 9. 0005 Национальный институт стандартов и технологий (открывается в новой вкладке). А если вам интересно узнать больше об истории скорости света, ознакомьтесь с книгой « Lightspeed: The Ghostly Aether and the Race to Measure the Light of Light » (Оксфорд, 2019 г.) автора Джон Ч. Х. Спенс.

Предыдущее исследование для этой статьи предоставлено сотрудником Space.com Нолой Тейлор Редд.

Библиография

Аристотель. «О чувстве и разумном». Архив интернет-классики, 350 г. н.э. http://classics.mit.edu/Aristotle/sense.2.2.html (открывается в новой вкладке).

Д’Альто, Ник. «Трубопровод, измеривший скорость света». Smithsonian Magazine, январь 2017 г. https://www.smithsonianmag.com/air-space-magazine/18_fm2017-oo-180961669/ (открывается в новой вкладке).

Фаулер, Майкл. «Скорость света.» Современная физика. Университет Вирджинии. По состоянию на 13 января 2022 г. https://galileo.phys.virginia.edu/classes/252/spedlite. html#Albert%20Abraham%20Michelson (откроется в новой вкладке).

Джованнини, Даниэль, Жакилин Ромеро, Вацлав Поточек, Гергели Ференци, Фиона Спейритс, Стивен М. Барнетт, Даниэле Фаччо и Майлз Дж. Пэджетт. «Пространственно структурированные фотоны, которые движутся в свободном пространстве медленнее скорости света». Science, 20 февраля 2015 г. https://www.science.org/doi/abs/10.1126/science.aaa3035 (открывается в новой вкладке).

Гольдзак, Тамар, Алексей Александрович Майлыбаев и Нимрод Моисеев. «Свет останавливается в исключительных точках». Письма о физическом обзоре 120, вып. 1 (3 января 2018 г.): 013901. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.120.013901 (открывается в новой вкладке).

Хазен, Роберт. «Что заставляет бриллиант сверкать?» PBS NOVA, 31 января 2000 г. https://www.pbs.org/wgbh/nova/article/diamond-science/ (открывается в новой вкладке).

«Какой длины световой год?» Glenn Learning Technologies Project, 13 мая 2021 г. https://www.grc.nasa.gov/www/k-12/Numbers/Math/Mathematical_Thinking/how_long_is_a_light_year.htm (открывается в новой вкладке).

Новости Американского физического общества. «Июль 1849 г.: Fizeau Publishes of Speed of Light Experiment», июль 2010 г. http://www.aps.org/publications/apsnews/201007/physicshistory.cfm (открывается в новой вкладке).

Лю, Чиен, Закари Даттон, Сайрус Х. Бехрузи и Лене Вестергаард Хау. «Наблюдение за хранением когерентной оптической информации в атомной среде с использованием остановленных световых импульсов». Природа 409, вып. 6819 (январь 2001 г.): 490–93. https://doi.org/10.1038/35054017 (откроется в новой вкладке).

НИСТ. «Познакомьтесь с константами». 12 октября 2018 г. https://www.nist.gov/si-redefinition/meet-constants (открывается в новой вкладке).

Уэллетт, Дженнифер. «Краткая история скорости света». PBS NOVA, 27 февраля 2015 г. https://www.pbs.org/wgbh/nova/article/brief-history-speed-light/ (откроется в новой вкладке).

Ши, Джеймс Х. «Оле Ро/Мер, скорость света, видимый период Ио, эффект Доплера и динамика Земли и Юпитера». Американский журнал физики 66, вып. 7 (1 июля 1998 г.): 561–69. https://doi.org/10.1119/1.19020 (откроется в новой вкладке).

Сигел, Итан. «Неудачный эксперимент, изменивший мир». Forbes, 21 апреля 2017 г. https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2017/04/21/the-failed-experiment-that-changed-the-world/ (открывается в новой вкладке).

Стерн, Дэвид. «Рёмер и скорость света», 17 октября 2016 г. https://pwg.gsfc.nasa.gov/stargaze/Sun4Adop1.htm (открывается 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: [email protected].

Вики Стейн — научный писатель из Калифорнии. Она имеет степень бакалавра экологии и эволюционной биологии Дартмутского колледжа и диплом о высшем образовании в области научного письма Калифорнийского университета в Санта-Круз (2018 г. ). После этого она работала помощником по новостям в PBS NewsHour, а теперь работает внештатным сотрудником, освещая все, от астероидов до зебр. Следите за ее последними работами (и последними фотографиями голожаберников) в Твиттере.

Как быстро движется свет? | Скорость света

Согласно специальной теории относительности физика Альберта Эйнштейна , на которой основана большая часть современной физики, ничто во Вселенной не может двигаться быстрее света. Теория утверждает, что по мере того, как материя приближается к скорости света, масса материи становится бесконечной. Это означает, что скорость света действует как ограничение скорости на всем вселенная . Скорость света настолько неизменна, что, согласно стандарту Национального института стандартов и технологий США , она используется для определения международных стандартных единиц измерения, таких как метр (и, соответственно, миля, фут и дюйм). С помощью некоторых хитрых уравнений он также помогает определить килограмм и единицу измерения температуры кельвинов .

Родственный: Специальная теория относительности выдерживает испытание высокой энергией

Что такое световой год?

Свет проходит от луны к нашим глазам примерно за 1 секунду, что означает, что луна находится примерно в 1 световой секунде от нас. Солнечному свету требуется около 8 минут, чтобы достичь наших глаз, поэтому 9Солнце 0005 находится примерно в 8 световых минутах от нас. Свету от Альфы Центавра , которая является ближайшей звездной системой к нашей, требуется примерно 4,3 года, чтобы добраться сюда, поэтому Альфа Центавра находится на расстоянии 4,3 световых года.

«Чтобы получить представление о величине светового года, возьмите окружность Земли (24 900 миль), разложите ее по прямой линии, умножьте длину линии на 7,5 (соответствующее расстояние равно одному световому -секунда), затем поместите 31,6 миллиона одинаковых строк встык», — Исследовательский центр Гленна НАСА 9.0005 говорит на своем сайте (открывается в новой вкладке). «В результате расстояние составляет почти 6 триллионов (6 000 000 000 000) миль!»

Этот принцип позволяет астрономам увидеть вселенную такой, какой она была после Большого взрыва , который произошел около 13,8 миллиардов лет назад. Объекты, находящиеся на расстоянии 10 миллиардов световых лет от нас, кажутся астрономам такими, какими они выглядели 10 миллиардов лет назад — относительно скоро после возникновения Вселенной, — а не такими, какими они выглядят сегодня.

Родственный: Почему вселенная — это история

Как мы узнали скорость света?

В 1728 году английский физик Джеймс Брэдли провел новый набор расчетов на основе изменения видимого положения звезд, вызванного движением Земли вокруг Солнца. Он оценил скорость света в 185 000 миль в секунду (301 000 км/с) — с точностью до 1 % от реального значения.0005 Американское физическое общество (открывается в новой вкладке).

«Эксперимент — и вся работа Майкельсона — были настолько революционными, что он стал единственным человеком в истории, получившим Нобелевскую премию за очень точное отсутствие открытия чего бы то ни было», — писал Сигал. «Сам эксперимент, возможно, был полным провалом, но то, что мы из него узнали, было большим благом для человечества и нашего понимания Вселенной, чем любой успех!» 92. Уравнение описывает взаимосвязь между массой и энергией — небольшие количества массы (m) содержат или состоят из огромного количества энергии (E). (Вот что делает ядерные бомбы такими мощными: они преобразуют массу во взрывы энергии. ) Поскольку энергия равна массе, умноженной на квадрат скорости света, скорость света служит коэффициентом преобразования, точно объясняющим, сколько энергии должно быть внутри материи. А поскольку скорость света — это такое огромное число, даже небольшое количество массы должно равняться огромному количеству энергии.

Что движется быстрее скорости света?

Хотя скорость света часто называют пределом скорости Вселенной, на самом деле Вселенная расширяется еще быстрее. Вселенная расширяется со скоростью немногим более 42 миль (68 километров) в секунду на каждый мегапарсек расстояния от наблюдателя, писал астрофизик Пол Саттер в предыдущей статье для журнала 9. 0005 Space.com . (Мегапарсек составляет 3,26 миллиона световых лет — это очень большой путь.)

Свет когда-нибудь замедляется?

Можем ли мы путешествовать быстрее света?

Истории по теме:

Дополнительные ресурсы

Чтобы узнать больше о скорости света, воспользуйтесь этим забавным инструментом из Academo (открывается в новой вкладке), который позволяет визуализировать, с какой скоростью свет может перемещаться из любого места на Земле в любое другое. Если вас больше интересуют другие важные числа, познакомьтесь с универсальными константами, которые определяют стандартные системы измерения по всему миру с помощью 9.0005 Национальный институт стандартов и технологий (открывается в новой вкладке). А если вам интересно узнать больше об истории скорости света, ознакомьтесь с книгой « Lightspeed: The Ghostly Aether and the Race to Measure the Light of Light » (Оксфорд, 2019 г.) автора Джон Ч. Х. Спенс.

Предыдущее исследование для этой статьи предоставлено сотрудником Space.com Нолой Тейлор Редд.

Библиография

Фаулер, Майкл. «Скорость света.» Современная физика. Университет Вирджинии. По состоянию на 13 января 2022 г. https://galileo.phys.virginia.edu/classes/252/spedlite.html#Albert%20Abraham%20Michelson (откроется в новой вкладке).

Вики Стейн — научный писатель из Калифорнии. Она имеет степень бакалавра экологии и эволюционной биологии Дартмутского колледжа и диплом о высшем образовании в области научного письма Калифорнийского университета в Санта-Круз (2018 г.). После этого она работала помощником по новостям в PBS NewsHour, а теперь работает внештатным сотрудником, освещая все, от астероидов до зебр. Следите за ее последними работами (и последними фотографиями голожаберников) в Твиттере.

Есть только один способ превзойти скорость света

Здесь кристалл кальцита поражается лазером с длиной волны 445 нанометров, флуоресцирующим и … [+] проявляющим свойства двойного лучепреломления. В отличие от стандартной картины разделения света на отдельные компоненты из-за разных длин волн, составляющих свет, свет лазера имеет одну и ту же частоту, но, тем не менее, разные поляризации разделяются.

Ян Павелка/European Science Photo Competition 2015

В нашей Вселенной есть несколько правил, которым все должно подчиняться. Энергия, импульс и угловой момент всегда сохраняются, когда взаимодействуют любые два кванта. Физика любой системы частиц, движущихся вперед во времени, идентична физике той же системы, отраженной в зеркале, с заменой частиц на античастицы, где направление времени меняется на противоположное. И есть окончательный предел космической скорости, применимый к каждому объекту: ничто не может превысить скорость света, и ничто, имеющее массу, никогда не может достичь этой хваленой скорости.

На протяжении многих лет люди разрабатывали очень хитрые схемы, чтобы попытаться обойти этот последний предел. Теоретически они представили тахионы как гипотетические частицы, которые могут превышать скорость света, но тахионы должны иметь воображаемую массу и физически не существуют. В рамках общей теории относительности достаточно искривленное пространство могло бы создать альтернативные, укороченные пути, по которым должен проходить свет, но в нашей физической Вселенной нет известных червоточин. И хотя квантовая запутанность может создавать «жуткие» действия на расстоянии, никакая информация никогда не передается быстрее света.

Но есть один способ превзойти скорость света: войти в любую среду, кроме идеального вакуума. Вот физика того, как это работает.

Свет — это не что иное, как электромагнитная волна с синфазными колебаниями электрического и магнитного … [+] полей, перпендикулярных направлению распространения света. Чем короче длина волны, тем более энергичен фотон, но тем более он восприимчив к изменениям скорости света в среде.

And1mu / Wikimedia Commons

Свет, вы должны помнить, это электромагнитная волна. Конечно, она тоже ведет себя как частица, но когда мы говорим о скорости ее распространения, гораздо полезнее думать о ней не только как о волне, но и как о волне осциллирующих, синфазных электрического и магнитного полей. Когда он движется через космический вакуум, ничто не мешает этим полям двигаться с амплитудой, которую они выбирают естественным образом, определяемой энергией, частотой и длиной волны волны. (Все они связаны между собой.)

Но когда свет проходит через среду — то есть любую область, где присутствуют электрические заряды (и, возможно, электрические токи), — эти электрические и магнитные поля сталкиваются с определенным уровнем сопротивления их свободному распространению. Из всех вещей, которые могут изменяться или оставаться неизменными, свойством света оставаться постоянным является его частота, когда он движется из вакуума в среду, из среды в вакуум или из одной среды в другую.

БОЛЬШЕ ОТ FORBES ADVISOR

Однако, если частота остается неизменной, это означает, что длина волны должна измениться, а поскольку частота, умноженная на длину волны, равняется скорости, это означает, что скорость света должна изменяться по мере изменения среды, через которую вы распространяетесь.

Схематическая анимация непрерывного луча света, рассеиваемого призмой. Обратите внимание, как волновая … [+] природа света согласуется с более глубоким объяснением того факта, что белый свет можно разбить на разные цвета.

Пользователь Wikimedia Commons LucasVB

Одной из впечатляющих демонстраций этого явления является преломление света при прохождении через призму. Белый свет, как и солнечный свет, состоит из непрерывного света самых разных длин волн. Более длинные волны, такие как красный свет, имеют меньшие частоты, а более короткие длины волн, такие как синий свет, имеют более высокие частоты. В вакууме все длины волн распространяются с одинаковой скоростью: частота, умноженная на длину волны, равна скорости света. Более синие длины волн обладают большей энергией, поэтому их электрические и магнитные поля сильнее, чем у более красных длин волн.

Когда вы пропускаете этот свет через дисперсионную среду, такую как призма, все разные длины волн реагируют немного по-разному. Чем больше энергии содержится в ваших электрических и магнитных полях, тем больший эффект они испытывают при прохождении через среду. Частота всего света остается неизменной, но длина волны света с более высокой энергией сокращается в большей степени, чем длина волны света с более низкой энергией.

В результате, несмотря на то, что весь свет распространяется в среде медленнее, чем вакуум, более красный свет замедляется немного меньше, чем синий свет, что приводит ко многим захватывающим оптическим явлениям, таким как существование радуги, когда солнечный свет разбивается на разные длины волн, он проходит через водяные капли и капельки.

Когда свет переходит из вакуума (или воздуха) в каплю воды, он сначала преломляется, затем отражается … [+] от спины и, наконец, снова преломляется в вакуум (или воздух). Угол, который входящий свет составляет с исходящим светом, всегда достигает максимума под углом 42 градуса, что объясняет, почему радуга всегда образует один и тот же угол на небе.

KES47 / Wikimedia Commons / Public Domain

Однако в космическом вакууме у света нет другого выбора — независимо от его длины волны или частоты — кроме как двигаться с одной скоростью и только с одной скоростью: со скоростью света в вакууме. Это также скорость, с которой должна двигаться любая форма чистого излучения, такая как гравитационное излучение, а также скорость, согласно законам относительности, с которой должна двигаться любая безмассовая частица.

Но у большинства частиц во Вселенной есть масса, и поэтому они должны подчиняться немного другим правилам. Если у вас есть масса, скорость света в вакууме по-прежнему является вашим максимальным пределом скорости, но вместо того, чтобы быть вынужденным двигаться с этой скоростью, это предел, которого вы никогда не сможете достичь; вы можете только приблизиться к нему.

Чем больше энергии вы вкладываете в свою массивную частицу, тем ближе она может двигаться к скорости света, но она всегда должна двигаться медленнее. Самые энергичные частицы, когда-либо созданные на Земле, а именно протоны на Большом адронном коллайдере, могут двигаться в вакууме со скоростью, невероятно близкой к скорости света: 299 792 455 метров в секунду, или 99,999999% скорости света.

Замедление времени (слева) и сокращение длины (справа) показывают, что время течет медленнее, а расстояния … [+] кажутся тем меньше, чем ближе вы приближаетесь к скорости света. По мере того, как вы приближаетесь к скорости света, часы замедляются в сторону того, что время вообще не течет, а расстояния сокращаются до бесконечно малых величин.

ПОЛЬЗОВАТЕЛИ WIKIMEDIA COMMONS ZAYANI (слева) и JROBBINS59 (справа)

Независимо от того, сколько энергии мы вкладываем в эти частицы, мы можем добавить только больше»9s” справа от этого десятичного знака, однако. Мы никогда не сможем достичь скорости света.

Или, точнее, мы никогда не сможем достичь скорости света в вакууме . То есть предельная космическая скорость 299 792 458 м/с недостижима для массивных частиц и одновременно является скоростью, с которой должны двигаться все безмассовые частицы.

Но что произойдет, если мы будем путешествовать не через вакуум, а через среду? Как оказалось, когда свет проходит через среду, его электрические и магнитные поля испытывают воздействие материи, через которую они проходят. Это приводит к тому, что когда свет входит в среду, немедленно изменяется скорость, с которой распространяется свет. Вот почему, когда вы наблюдаете, как свет входит в среду или выходит из нее, или переходит из одной среды в другую, кажется, что он изгибается. Свет, хотя и может свободно распространяться в вакууме, имеет скорость распространения и длину волны, которые сильно зависят от свойств среды, через которую он проходит.

Свет, проходящий из незначительной среды через плотную среду, проявляющий преломление. Свет входит … [+] снизу справа, падает на призму и частично отражается (вверху), а остальная часть проходит через призму (в центре). Свет, проходящий через призму, кажется искривленным, так как он движется с меньшей скоростью, чем раньше свет, проходящий через воздух. Когда он снова появился из призмы, он снова преломился, вернувшись к своей первоначальной скорости.

Пользователь Викисклада Spigget

Однако у частиц другая судьба. Если высокоэнергетическая частица, первоначально проходившая через вакуум, вдруг окажется в среде, ее поведение будет отличаться от поведения света.

Во-первых, он не испытает немедленного изменения импульса или энергии, поскольку действующие на него электрические и магнитные силы, которые изменяют его импульс с течением времени, пренебрежимо малы по сравнению с количеством импульса, которым он уже обладает. Вместо того, чтобы искривляться мгновенно, как кажется свету, изменения его траектории могут происходить только постепенно. Когда частицы впервые попадают в среду, они продолжают двигаться примерно с теми же свойствами, в том числе с той же скоростью, что и до входа.

Во-вторых, крупные события, которые могут изменить траекторию частицы в среде, почти всегда являются прямыми взаимодействиями: столкновениями с другими частицами. Эти события рассеяния чрезвычайно важны в экспериментах по физике элементарных частиц, поскольку продукты этих столкновений позволяют нам реконструировать то, что произошло в точке столкновения. Когда быстро движущаяся частица сталкивается с рядом стационарных частиц, мы называем это экспериментами с «фиксированной мишенью», и они используются во всем: от создания пучков нейтрино до создания частиц антивещества, которые имеют решающее значение для изучения определенных свойств природы.

Здесь протонный пучок попадает в дейтериевую мишень в эксперименте LUNA. Скорость ядерного синтеза … [+] при различных температурах помогла выявить поперечное сечение дейтерия-протона, которое было наиболее неопределенным членом в уравнениях, используемых для вычисления и понимания чистых содержаний, которые возникнут в конце Большого взрыва. Нуклеосинтез. Эксперименты с фиксированной целью имеют множество применений в физике элементарных частиц.

LUNA Collaboration/Gran Sasso

Но самый интересный факт заключается в следующем: частицы, которые движутся медленнее света в вакууме, но быстрее света в среде, в которую они входят, на самом деле превышают скорость света. Это единственный реальный физический способ, которым частицы могут превысить скорость света. Они никогда не могут превысить скорость света в вакууме, но могут превысить ее в среде. И когда они это делают, происходит нечто захватывающее: испускается особый тип излучения — черенковское излучение.

Названный в честь первооткрывателя Павла Черенкова, это один из тех физических эффектов, который впервые был обнаружен экспериментально, прежде чем его предсказали. Черенков изучал приготовленные радиоактивные образцы, некоторые из которых хранились в воде. Радиоактивные препараты, по-видимому, излучали слабый голубоватый свет, и хотя Черенков изучал люминесценцию, при которой гамма-лучи возбуждали бы эти растворы, а затем испускали бы видимый свет, когда девозбуждались, он быстро пришел к заключению, что этот свет имел предпочтительное направление. Это было не флуоресцентное явление, а что-то совсем другое.

Сегодня такое же голубое свечение можно увидеть в резервуарах с водой вокруг ядерных реакторов: черенковское излучение.

Экспериментальный ядерный реактор РА-6 (Республика Аргентина 6), ан марча, демонстрирующий характерное … [+] Черенковское излучение от испускаемых в воде частиц со скоростью, превышающей скорость света. Поскольку эти частицы движутся в этой среде со скоростью, превышающей скорость света, они испускают излучение, чтобы терять энергию и импульс, и они будут продолжать делать это до тех пор, пока их скорость не упадет ниже скорости света.

Centro Atomico Bariloche, via Pieck Darío

Откуда исходит это излучение?

Если через среду движется очень быстрая частица, эта частица обычно заряжена, а сама среда состоит из положительного (атомные ядра) и отрицательного (электроны) зарядов. Заряженная частица, путешествуя через эту среду, имеет шанс столкнуться с одной из находящихся там частиц, но, поскольку атомы в основном представляют собой пустое пространство, вероятность столкновения на коротких расстояниях относительно невелика.

Вместо этого частица воздействует на среду, через которую она проходит: она заставляет частицы в среде поляризоваться, когда одноименные заряды отталкиваются, а противоположные притягиваются, в ответ на прохождение заряженной частицы. Однако, как только заряженная частица уходит с пути, эти электроны возвращаются обратно в свое основное состояние, и эти переходы вызывают излучение света. В частности, они вызывают излучение синего света в форме конуса, где геометрия конуса зависит от скорости частицы и скорости света в этой конкретной среде.

Эта анимация демонстрирует, что происходит, когда релятивистская заряженная частица движется быстрее скорости света … [+] в среде. Взаимодействия заставляют частицу испускать конус излучения, известный как черенковское излучение, которое зависит от скорости и энергии падающей частицы. Обнаружение свойств этого излучения — чрезвычайно полезный и широко распространенный метод в экспериментальной физике элементарных частиц.

vlastni dilo / H. Seldon / public domain

Это чрезвычайно важное свойство в физике элементарных частиц, поскольку именно этот процесс позволяет нам вообще обнаружить неуловимое нейтрино. Нейтрино почти никогда не взаимодействуют с материей. Однако в тех редких случаях, когда они это делают, они передают свою энергию только одной другой частице.

Итак, что мы можем сделать, так это построить огромный резервуар с очень чистой жидкостью: жидкостью, которая не распадается радиоактивно и не испускает другие высокоэнергетические частицы. Мы можем очень хорошо защитить его от космических лучей, естественной радиоактивности и всевозможных других загрязняющих источников. А затем мы можем выложить снаружи этого резервуара так называемые фотоумножители: трубки, которые могут обнаруживать одиночный фотон, запуская каскад электронных реакций, позволяющих нам узнать, откуда, когда и в каком направлении пришел фотон.

С достаточно большими детекторами мы можем определить множество свойств каждого нейтрино, взаимодействующего с частицей в этих резервуарах. Возникающее в результате черенковское излучение, создаваемое до тех пор, пока частица, «выталкиваемая» нейтрино, превышает скорость света в этой жидкости, является невероятно полезным инструментом для измерения свойств этих призрачных космических частиц.

Нейтринное событие, идентифицируемое по кольцам черенковского излучения, которые появляются вдоль … [+] фотоумножителей вдоль стенок детектора, демонстрирует успешную методологию нейтринной астрономии и использование черенковского излучения. Это изображение показывает несколько событий и является частью набора экспериментов, прокладывающих наш путь к лучшему пониманию нейтрино.

Коллаборация Super Kamiokande

Открытие и понимание черенковского излучения было революционным во многих отношениях, но оно также привело к пугающему применению в первые дни лабораторных экспериментов по физике элементарных частиц. Пучок энергичных частиц не оставляет оптических следов при прохождении через воздух, но вызывает излучение этого синего света, если он проходит через среду, где он движется быстрее, чем свет в этой среде. Физики привыкли закрывать один глаз и совать голову на пути луча; если бы луч был включен, они увидели бы «вспышку» света из-за излучения Черенкова, генерируемого в их глазу, подтверждая, что луч был включен. (Излишне говорить, что этот процесс был прекращен с появлением обучения радиационной безопасности.)

Тем не менее, несмотря на все достижения физики за прошедшие поколения, единственный известный нам способ превзойти скорость света — это найти среду, в которой можно замедлить этот свет.