Немного теории
Скорость света в вакууме — это постоянная величина, известная нам достаточно точно: так, свет движется со скоростью 299 792 458 метров в секунду. Это скорость распространения всех электромагнитных полей в вакууме, включая радиоволны, инфракрасное, ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучение.
Согласно Специальной теории относительности Эйнштейна, ничто не может двигаться быстрее света. В обычных условиях свет для нас действительно движется мгновенно. Например, мы не успеваем увидеть, как фотоны отражаются от предметов и абсорбируются поверхностями в комнате, когда выключается свет, — настолько быстро это происходит.
Скорость света в пустом пространстве (вакууме) не зависит от относительной скорости между его источником и наблюдателем. Некоторые считают, что это утверждение противоречит здравому смыслу, тем не менее именно это было продемонстрировано экспериментально. Самый известный такой эксперимент был проведен физиками Альбертом Майкельсоном и Эдвардом Морли в конце XIX века. Они обнаружили, что скорость света одинакова во всех направлениях, вне зависимости от того факта, что Земля сама движется через пространство.
Человек и скорость
Люди определенно любят скорость. С тех пор как было изобретено колесо, а скорость уже не определялась силой наших ног, нам хотелось передвигаться быстрее и быстрее. Чем быстрее человек движется, тем в больший восторг он приходит (хотя, стоит заметить, что для некоторых высокие скорости — пугающая вещь). На сегодня человечество успело разработать невероятно быстрые самолеты, ультрабыстрые истребители, сверхбыстрые скоростные поезда и так далее. Однако у Вселенной в рукаве есть кое-что быстрее, чем что-либо нами достигнутое, — свет.
Итак, возможно, некоторые из вас как-то вечером после тяжелого дня, сидя с бутылкой пива или кружкой чая, задумывались о том, каково это — двигаться со скоростью света.
Возможно ли превысить скорость света?
Скорость света – величина, с которой движется свет в вакууме. И чем быстрее что-то движется, тем более массивным оно становится, и тем больше замедляется время. На малых скоростях это практически неощутимо, но при приближении к скорости света это становится резко заметным. Получается, что если вы хотите ускорить хотя бы один электрон до световой скорости, вам потребуется бесконечное количество энергии, поскольку электрон становится бесконечно тяжелым. А у света нет массы, поэтому такой проблемы у него не возникает. В этом и заключается сложность преодоления.
Так можем ли мы превысить скорость света? Нет. При обычных условиях нельзя превысить световой предел. Так как бесконечную энергию невозможно достичь.
При обычных условиях нельзя превысить световой предел. Даже например, потому, что тогда нарушается фундаментальный закон нашего мира – закон причинности, в соответствии с которым следствие не может опережать причину.
Что произойдет, если мы будем двигаться со скоростью света
Человек, движущийся со скоростью света, испытает замедление времени. Для него время будет протекать медленнее по сравнению с человеком, который стоит на месте. Кроме того, сильно изменится их поле зрения. Для человека, движущегося со скоростью света, Вселенная предстанет в форме туннеля перед аппаратом, на котором он путешествует. Рассмотрим эту увлекательную идею.
До XX века мир был уверен в правильности взглядов Исаака Ньютона на объекты и гравитацию. Однако в 1900-х не кто иной, как Альберт Эйнштейн, взял и навсегда изменил мир.
Альберт Эйнштейн на лекции в Вене в 1921 году
Теория относительности, предложенная им, прояснила множество вопросов, связанных с массой и энергией. Уравнение эквивалентности массы и энергии доказало, что масса и энергия взаимозаменяемы, то есть одно можно преобразовать в другое — и наоборот. Он также предположил, что не существует единственной стандартной системы отсчета. Все относительно, даже время. Тогда к нему и пришло понимание, что скорость света постоянна и не зависит от наблюдателя. Таким образом, если человек движется на 50% от скорости света в том же направлении, что и свет, то луч света будет выглядеть для него так же, как и для человека, стоящего на месте.
Что же касается эквивалентности массы и энергии, то в двух словах это означает, что, если объект движется на 10% от скорости света, его масса увеличится на 0,5% от изначальной массы. В то же время, если объект движется на 90% от скорости света, его масса увеличится вдвое.
Можем ли мы путешествовать со скоростью света
Нет, мы не можем двигаться со световой скоростью. Все дело в том, что при движении со скоростью света масса объекта экспоненциально увеличится. Представьте себе следующее: скорость света составляет почти 300 тысяч километров в секунду, и, когда объект движется с этой скоростью, его масса становится бесконечной. Следовательно, чтобы сдвинуть этот объект, потребуется бесконечная энергия (вспоминаем эквивалентность массы и энергии), что крайне непрактично.
Грубо говоря, именно по этой причине ни один объект не может двигаться со скоростью света (кроме самого света) или быстрее.
Что касается движения почти со скоростью света, скажем на 90% от нее, то нас ждут любопытные наблюдения.
Двигаясь (почти) со скоростью света
Прежде всего, движущийся с такой скоростью человек испытает замедление времени. Время для него будет протекать медленнее, чем для кого-то, стоящего на месте. Например, если человек движется на 90% от скорости света, то, когда для него пройдут 10 минут, для человека, стоящего на месте, пройдут 20 минут.
Диаграмма, отображающая искривление времени по мере приближения к скорости света / © E=Mc2 Explained
Стоит упомянуть и о серьезных изменениях в поле зрения. Для человека, движущегося — куда бы то ни было — на 90% от скорости света, как уже было упомянуто выше, Вселенная будет выглядеть так, будто он смотрит на нее через иллюминатор перед своим космическим аппаратом. Звезды, к которым он приближается, будут выглядеть синими, а остающиеся позади — красными. Это обусловлено тем, что световые волны от звезд перед ним будут скапливаться вместе, из-за чего объект будет выглядеть синим, а световые волны от звезд, остающихся позади, будут растягиваться и приобретать красный цвет, вызывая экстремальный эффект Доплера.
После преодоления определенной отметки человек погрузился бы во тьму, так как длины волн, попадающие ему в глаза, были бы вне видимого спектра.
Конечно, даже учитывая всю непрактичность и препятствия, связанные с путешествием со скоростью света (или почти), это определенно было бы то еще приключение.
Что может двигаться быстрее света
Почему предположение — одно только предположение — что нечто может двигаться быстрее света, вызвало такой шум? Насколько мы уверены, что ничто не может преодолеть этот барьер?
Скорость света в вакууме составляет около 300 000 километров в секунду
Давайте сначала разберем второй из этих вопросов. Скорость света в вакууме составляет 299 792,458 километра в секунду — для удобства, это число округляют до 300 000 километров в секунду. Это весьма быстро. Солнце находится в 150 миллионах километров от Земли, и свет от него доходит до Земли всего за восемь минут и двадцать секунд.
Все самые свежие новости из мира высоких технологий вы также можете найти в Google News.
Может ли какое-нибудь из наших творений конкурировать в гонке со светом? Один из самых быстрых искусственных объектов среди когда-либо построенных, космический зонд «Новые горизонты», просвистел мимо Плутона и Харона в июле 2015 года. Он достиг скорости относительно Земли в 16 км/c. Намного меньше 300 000 км/с.
Тем не менее у нас были крошечные частицы, которые двигались весьма быстро. В начале 1960-х годов Уильям Бертоцци в Массачусетском технологическом институте экспериментировал с ускорением электронов до еще более высоких скоростей.
Поскольку электроны имеют отрицательный заряд, их можно разгонять — точнее, отталкивать — применяя тот же отрицательный заряд к материалу. Чем больше энергии прикладывается, тем быстрее разгоняются электроны.
Можно было бы подумать, что нужно просто увеличивать прилагаемую энергию, чтобы разогнаться до скорости в 300 000 км/с. Но оказывается, что электроны просто не могут двигаться так быстро. Эксперименты Бертоцци показали, что использование большей энергии не приводит к прямо пропорциональному увеличению скорости электронов.
Солнечный зайчик
Солнечный зайчик может менять свое положение быстрее скорости света в вакууме. Но энергия и информация в данном случае не передаются в направлении движении этого светового пятна.
Представьте огромный экран, сильно удаленный от нас, и вращающийся источник с узким лучом света. Думаю, вы поняли, что при больших угловых скоростях вращения на удаленном экране возникнет пятно, которое будет перемещаться быстрее скорости света.
Рычаги
С «зайчиком» все предельно ясно. А что, если то же самое проделать с длинными рычагами? Один короткий конец вращать со скоростью, равной половине скорости света, а другой, скажем, который в 10 раз длиннее, будет двигаться в пять раз быстрее, чем свет. Но возможно ли подобное? С абсолютно жесткими предметами возможно и получилось бы, но в реальности такие не существуют.
Попробуйте провести простенький эксперимент: возьмите длинную линейку и быстро вращайте. Вы заметите, что она будет изгибаться. Так вот, с рычагом будет происходить тоже самое. Возмущения, которые передаются от одного конца к другому, будут не мгновенными.
Тахионы
Фотоны – частицы безмассовые, как и нейтрино и некоторые другие: их масса в покое равна нулю, и чтобы не исчезнуть окончательно, они вынуждены всегда двигаться, и всегда – со скоростью света. Однако некоторые теории предполагают существование и куда более экзотических частиц – тахионов. Масса их, фигурирующая в нашей любимой формуле E = mc2, задается не простым, а мнимым числом, включающим особый математический компонент, квадрат которого дает отрицательное число. Это очень полезное свойство, и сценаристы любимого нами сериала «Звездный путь» объясняли работу своего фантастического двигателя именно «обузданием энергии тахионов».
В самом деле, мнимая масса делает невероятное: тахионы должны терять энергию, ускоряясь, поэтому для них все в жизни обстоит совсем не так, как мы привыкли думать. Сталкиваясь с атомами, они теряют энергию и ускоряются, так что следующее столкновение будет еще более сильным, которое отнимет еще больше энергии и снова ускорит тахионы вплоть до бесконечности. Понятно, что такое самоувлечение просто нарушает базовые причинно-следственные зависимости. Возможно, поэтому изучают тахионы пока лишь теоретики: ни единого примера распада причинно-следственных связей в природе пока никто не видел, а если вы увидите, ищите тахион, и Нобелевская премия вам обеспечена.
Однако теоретики все же показали, что тахионы, может, и не существуют, но в далеком прошлом вполне могли существовать, и, по некоторым представлениям, именно их бесконечные возможности сыграли важную роль в Большом взрыве. Присутствием тахионов объясняют крайне нестабильное состояние ложного вакуума, в котором могла находиться Вселенная до своего рождения. В такой картине мира движущиеся быстрее света тахионы – настоящая основа нашего существования, а появление Вселенной описывается как переход тахионного поля ложного вакуума в инфляционное поле истинного. Стоит добавить, что все это вполне уважаемые теории, несмотря на то, что главные нарушители законов Эйнштейна и даже причинно-следственной связи оказываются в ней родоначальниками всех причин и следствий.
Варп-двигатель
Варп-двигатель — технология, которая позволит в будущем двигаться быстрее скорости света. Такой вид двигателя часто встречается в научной фантастике. Но существуют и вполне реальные математические модели.
Само название двигателя происходит от английского слова warp — деформировать, что подразумевает искажение самого пространства.
Искаженное пространство вокруг корабля
Если вдоль траектории движения корабля правильно деформировать пространство, то можно летать со скоростями не только в разы выше, чем световые, но и практически с неограниченной скоростью. Как это осуществить?
Перед кораблем необходимо сжимать пространство, а сзади него раздувать, что создаст пузырь, который будет охватывать звездолет. Корабль в этой области будет практически неподвижен, а перемещаться будет само искаженное пространство.
На практике это означает, что придется перераспределять окружающую темную энергию, которая обладает отрицательным давлением: позади корабля будет избыток темной энергии, а впереди, наоборот, недостаток. Но как управиться с этой энергией пока не понятно.
Гиперпространство
На самом деле, это уже из ряда фантастики, но для повышения общей эрудиции, думаю, не помешает. Гиперпространство — пространство (в фантастике) с четырьмя и более измерениями. Переместившись в него, можно перемещаться не только в другие измерения, но и в нужное нам место в нашей Вселенной на сколь угодные расстояния.
Зачем я это здесь привел? А чтобы показать, что сама идея сверхсветовых полетов находится на грани фантастики, что это все выглядит красиво только на бумаге и в умах людей. Но говорить об этом, конечно же, необходимо. Из таких несбыточных идей и появляются потрясающие решения.
Скорость тьмы
Если рассуждать философски, тьма – это просто отсутствие света, и скорости у них должны быть одинаковые. Но стоит подумать тщательнее: тьма способна принимать форму, перемещающуюся куда быстрее. Имя этой формы – тень. Представьте, что вы показываете пальцами силуэт собаки на противоположной стене. Луч от фонаря расходится, и тень от вашей руки становится намного больше самой руки. Достаточно малейшего движения пальца, чтобы тень от него на стене сместилась на заметное расстояние. А если мы будем отбрасывать тень на Луну? Или на воображаемый экран еще дальше?..
Едва заметное мановение – и она перебежит с любой скоростью, которая задается лишь геометрией, так что никакой Эйнштейн ей не указ. Впрочем, с тенями лучше не заигрываться, ведь они легко обманывают нас. Стоит вернуться в начало и вспомнить, что тьма – это просто отсутствие света, поэтому никакой физический объект при таком движении не передается. Нет ни частиц, ни информации, ни деформаций пространства-времени, есть только наша иллюзия того, что это отдельное явление. В реальном же мире никакая тьма не сможет сравниться в скорости со светом.
Пузыри и норы
Вот муравей ползет по листу бумаги. Скорость его невелика, и на то, чтобы добраться от левого края плоскости до правого, у бедняги уходит секунд 10. Но стоит нам сжалиться над ним и согнуть бумагу, соединив ее края, как он моментально «телепортируется» в нужную точку. Нечто подобное можно проделать и с нашим родным пространством-временем, с той лишь разницей, что изгиб требует участия других, невоспринимаемых нами измерений, образуя туннели пространства-времени, – знаменитые червоточины, или кротовые норы.
Кстати, согласно новым теориям, такие кротовые норы – это некий пространственно-временной эквивалент уже знакомого нам квантового феномена запутанности. Вообще, их существование не противоречит никаким важным представлениям современной физики, включая общую теорию относительности. Но вот для поддержания такого туннеля в ткани Вселенной потребуется нечто, мало похожее на настоящую науку, – гипотетическая «экзотическая материя», которая обладает отрицательной плотностью энергии. Иначе говоря, это должна быть такая материя, которая вызывает гравитационное… отталкивание. Трудно представить, что когда-нибудь эта экзотика будет найдена, а тем более приручена.
Своеобразной альтернативой кротовым норам может служить еще более экзотическая деформация пространства-времени – движение внутри пузыря искривленной структуры этого континуума. Идею высказал в 1993 году физик Мигеле Алькубьерре, хотя в произведениях фантастов она звучала намного раньше. Это как космический корабль, который движется, сжимая и сминая пространство-время перед своим носом и снова разглаживая его позади. Сам корабль и его экипаж при этом остаются в локальной области, где пространство-время сохраняет обычную геометрию, и никаких неудобств не испытывают. Это прекрасно видно по популярному в среде мечтателей сериалу «Звездный путь», где такой «варп-двигатель» позволяет путешествовать, не скромничая, по всей Вселенной.
Исследование: ученые превысили скорость света
У света есть некоторые особенности, которые позволяют нарушать правила. Это не ускорит путешествия к звездам, но поможет создать совершенно новый класс лазеров.
Физики давно экспериментируют с ограничением скорости световых импульсов, ускоряя их и даже замедляя до полного, но виртуального, виртуального останова. При этом использовались различные материалы, такие как холодные атомные газы, преломляющие кристаллы и оптические волокна.
Как-то исследователи из Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса в Калифорнии и Университета Рочестера в Нью-Йорке выбрали в качестве среды облака горячих заряженных частиц. И у них получилось менять скорость световых волн в плазме от примерно одной десятой от обычной скорости света в вакууме до скорости, превышающей скорость света более чем на 30%.
Импульсы фотонов могут сталкиваться таким образом, чтобы создавать волны. Световые волны проходят через вещество со скоростью, описываемой исследователями как групповая скорость, и именно этой «волной волн» ученые и управляли, меняя электромагнитные условия.
Вырывая электроны из потока ионов водорода и гелия с помощью лазера, исследователи смогли изменить групповую скорость световых импульсов, посылаемых через плазму вторым источником света.
С практической точки зрения эксперимент имеет значение не для межзвездных перелетов, а для лазеров и позволит создать новое невероятно мощное поколение этих приборов. В лазерах используются твердотельные оптические материалы, которые, как правило, повреждаются при высоких энергиях. Использование потоков плазмы для изменения световых характеристик позволило бы решить эту проблему.
Предыдущая
