Почему нельзя превысить скорость света?
Знаменитые космические аппараты «Вояджер-1» и «Вояджер-2», запущенный американским космическим агентством NASA в 1977-м году с целью исследования межзвездного пространства, пролетели несколько десятков миллиардов километров за сорок лет. Это всего-навсего двадцать световых часов. Для сравнения, расстояние до ближайшей к нам звезды Проксима Центавра составляет четыре световых года.
Космический аппарат «Вояджер»
По подсчетам исследователей свой первый световой год аппараты преодолеют примерно через сорок тысяч лет. Но мы никогда не узнаем о том, преодолеют ли они это расстояние на самом деле. Ведь за такой огромный период времени они с легкостью могут столкнуться с каким-нибудь космическим телом, а сигнал с их передатчиков перестанет достигать земли примерно через десять лет. Тогда почему нельзя было бы их запустить со скоростью света, либо сделать так, чтобы они развили такую скорость во время своего перемещения в космосе? Не все так просто, как кажется на первый взгляд.
Давайте разберемся, почему в физике скорость света является константой и непреодолимым максимумом возможной скорости передвижения для любых физических тел.
Как менялась скорость света и кто её доказал?
Галилео Галилей
История исследований скорости света также начинается еще с античных времен. В так называемый период Нового времени такие известные ученые как Галилео Галилей и Роберт Гук представляли скорость перемещения фотонов в пространстве, как абсолютный максимум, конечную точку, непреодолимый рубеж для всех тел. А вот Иоганн Кеплер, Рене Декарт наоборот считали, что скорость света является бесконечной. Как оказалось позже, Галилей и Гук в своих теориях таки оказались правы.
Олаф Ремер
В 1676-м году, датский ученый Олаф Ремёр впервые в истории дал оценку скорости света очень близкую к современной — 220 000 км/с. С такой скоростью достигал свет от Солнца до спутника Юпитера Ио.
Джеймс Брэдли
Начало следующего столетия сопровождалось открытием световой аберрации, позволившей еще более точно приблизиться к верному значению скорости света. Джеймс Брэдли, воспользовавшись этими принципами, смог доказать конечность скорости света, а также вычислить её значение — 308 000 км/с.
Арман Физо
Спустя еще столетие, наиболее точные значения в земных условиях были получены французским ученым Арманом Физо. С помощью выработанного им «методом прерываний» удалось получить значение в 313 000 км/с. В 1950-м году при помощи того же метода ученым Э. Бергштрандом удалось выяснить наиболее точное значение 299 793,1 км/с, с округлением до 0.25 км/с.
Следующей вехой в исследованиях стало применение лазерных оптических устройств, имеющих стабильную частоту излучения. Благодаря им была зафиксирована точная скорость движения фотонов — 299 792 458 м/с. Этот вселенский максимум не может преодолеть никто. Даже сегодня с достаточно развитой наукой и технологиями мы вынуждены мириться с аксиомой абсолютного предела скорости. Неужели даже в теории мы никогда не сможем преодолеть эту цифру?
Что будет если двигаться со скоростью света?
Иллюстрация «Пузыря Алькубьерре»
Сегодня людьми уже придумана гипотетическая технология варп-двигателя, позволяющего перемещаться в космосе быстрее, чем это делает свет. Суть его работы заключается в искажении геометрии пространства. Но сам корабль данной деформации не будет подвержен из-за определенной динамики присущей темной материи (так как в данном случае, перед кораблем будет образовываться недостаток темной материи, а позади ее переизбыток). Данный эффект называется «Пузырем Алькубьерре». Её реализацию вы могли видеть во вселенной сериала «Звездный путь».
Пока все это лишь слова. А реализацию двигателя искривляющего пространство мы увидим еще ой как нескоро. Или вообще не увидим. Ведь все проведенные эксперименты доказывают, что ни один материальный объект не может двигаться быстрее 299 792 458 м/с. И этому есть очень хорошее объяснение.
Пространство–время
В соответствии с физической моделью, известной нам как пространственно–временной континуум, все тела, которые только существуют в нашей вселенной, находятся в системе координат. Где одна из осей это время, а другая это скорость перемещения в пространстве. Нужно принять как факт то, что все мы постоянно находимся в движении. Даже ты, мой дорогой читатель, если сидишь у себя дома в уютном кресле, читая эту статью, постоянно перемещаешься во времени со скоростью, как бы забавно и очевидно это не прозвучало, одна секунда в секунду.
Время можно представить как прямую с делениями, представляющими собой отрезки времени, как прошедшие так и предстоящие. Двигаться по этой оси назад или вперед по нашему желанию мы не можем, так как это противоречит модели пространственно-временного континуума.
Более наглядно проиллюстрировать наше движение во времени можно так: представьте, что вы едете в автомобиле, и у него внезапно отказывают тормоза, газ. И все что находится у вас под контролем — это руль, благодаря которому вы можете управлять движением автомобиля по огромной, я бы даже сказал бесконечной трассе, под названием время. Вы не можете ни увеличить скорость, ни затормозить, ни поехать в обратную сторону. Все, что вам остается, это грамотно распоряжаться и обходить бесконечные препятствия на прямой.
Двумерное сечение (опущены время и одна угловая координата)
Конечно, многие именитые ученые предполагают, что в пространственно–временном континууме могут существовать исключения, например «кротовые норы». Это свое рода туннели, через которые можно мгновенно перемещаться как в пространстве, так и во времени. На практике их существование еще не было доказано. Но, исходя из нюансов в специальной теории относительности и модели пространства-времени, некоторые части нашей огромной вселенной могут быть соединены друг с другом. Обнаружить их не удалось. Возможно из-за того, что они нестабильны, и имеют невероятно малые размеры.
Смоделировать кротовые норы в земных условиях не представляется возможным, так как энергии всего человечества не хватит на то, чтобы обеспечить даже одну самую маленькую кротовую дыру требуемым количеством ресурсов. Кстати, этот нюанс делает невозможным и сверхсветовое перемещение.
Больше скорость, больше масса, больше энергии, меньше времени
Иллюстрация наглядно описывающая эффект релятивистского замедления времени
Вернемся к нашей системе координат, где одной осью является время, а другой скорость перемещения в пространстве. Исследования показали, что при увеличении скорости, замедляется время, которое преодолевает объект. Установив на борт ракеты атомные часы, ученые выяснили, что время на них отставало от атомных часов установленных в лаборатории на земле на несколько секунд.
Сам Эйнштейн описывал это удивительное явление и дал ему название «эффект релятивистского замедления времени»:
«Если в точке А находятся двое синхронно идущих часов, и мы перемещаем одни из них по замкнутой кривой с постоянной скоростью до тех пор, пока они не вернутся в А (на что потребуется, скажем, t сек), то эти часы по прибытии в А будут отставать по сравнению с часами, остававшимися неподвижными…»Выходит, что увеличивая скорость перемещения в пространстве, мы будем жертвовать скоростью перемещения во времени. К примеру, прямая, идущая вдоль оси движения во времени, пока мы не двигаемся, находится в покое и никак не отклоняется. Но стоит нам увеличить скорость перемещения в пространстве на какое-то серьезное значение, как прямая движения во времени будет неумолимо наклонятся к нулю, попутно уменьшая количество времени проходимого за определенный отрезок расстояния. Пределом в данном случае и являются 300 000 км/с ( та самая скорость света). Дальше двигаться просто невозможно, так как мы помним, что линия проводимая в оси координат, может наклонятся только до определенного положения. Быстрее двигаться уже невозможно, так как за пределом координатной прямой нет ничего.
Помимо этого, невозможность сверхсветового перемещения связана с зависимостью массы от скорости перемещения тела. Если разогнать самую простую частицу до скорости света, то её масса возрастет до бесконечности. А как мы знаем из курса школьной физики, для обеспечения движения объекта с большой массой требуется большое количество энергии. Найти такой источник в наших земных условиях не представляется возможным
Почему же тогда частицы электромагнитного излучения, известные нам как фотоны могут перемещаться с такой скоростью? Ответ прост, потому что фотоны не имеют массы и обладают нулевым электрическим зарядом, как и все безмассовые частицы. Помимо фотонов, нам сегодня известно еще два вида частиц не имеющих массы — это гравитоны и глюоны. Последние, кстати относятся к семейству гипотетических частиц бозона, но это уже совсем другая история, о которой мы поговорим в будущем.
Спасибо за то, что дочитали до конца. Надеюсь, вам было интересно. До скорых встреч.