Меню

Что произойдет если превысить скорость света



Почему нельзя превысить скорость света?

Мы знаем, что скорость света -максимальна. Ничто не может двигаться быстрее. Но почему? Неужели существует полиция скорости света, запрещающая настолько быстрое движение? Может теория относительности дает ответ? Или все дело в самой природе пространства-времени и устройстве нашего мира?

Скорость света — 300 000 км/с, и ничто не может ее преодолеть

Скорость света — самая большая скорость, которая вообще возможна в нашей Вселенной, и она, как известно, равна 300 000 км/с. И еще установлено, что никакое тело, никакая частица не может достичь скорости света (тем более — ее превысить) — на это способны только фотоны и другие кванты, а также их «вторые натуры» — электромагнитные волны. Так? Да, все верно, но с некоторыми оговорками и уточнениями.

Когда говорят о скорости света, то чаще всего имеют в виду скорость распространения световой волны или фотона в вакууме. В пространстве, свободном от материи и любого излучения (в настоящем вакууме не должно быть ничего, даже радиоволн), свет как раз и будет достигать своей огромной секундной скорости в 300 тысяч километров. А вот при попадании в другие среды (в тот же воздух,стекло, прозрачные кристаллы и т. д.) свет тормозится.

Любая прозрачная (а при соблюдении некоторых условий — и непрозрачная) среда обладает той или иной оптической плотностью — чем она больше, чем с меньшей скоростью в ней может распространяться свет. Например, в прозрачном воздухе при давлении в одну атмосферу свет движется всего на 2 % медленнее, чем в вакууме (около 294 000 км/с). В дистиллированной воде скорость распространения света падает уже до 226 000 км/с, а в оптическом (крайне чистом и однородном) стекле свет движется со скоростью чуть менее 196 000 км/с. Алмаз понижает скорость света до 130 000 км/с, а некоторые кристаллы — и до еще меньших показателей. Разница поразительная, но это, как показали опыты, далеко не предел.

В самом начале третьего тысячелетия сразу две группы ученых проводили эксперименты по снижению скорости света в экзотической среде — конденсате Бозе — Эйнштейна, созданном из паров натрия и рубидия (в этом состоянии атомы соединяются попарно, образуя вещество с удивительными качествами). Результаты работ были ошеломительными — падение скорости света в парах натрия при почти абсолютном нуле удалось довести до 17 м/с! Как показали расчеты, при соблюдении некоторых условий скорость света в конденсате Бозе — Эйнштейна из натрия может составлять и 1 м/с, но эксперименты другой группы оказались более успешными.

Ученые, пропускающие луч лазера через пары рубидия, смогли и вовсе остановить свет. Но не стоит думать, что в объеме рубидия находились неподвижные фотоны — вовсе нет, так как фотоны не обладают массой покоя, а значит, могут существовать только в движении. Тогда почему здесь говорится об остановке света?

С точки зрения квантовой механики, все верно. Электромагнитная волна (не забываем, что свет подчиняется корпускулярно-волновому дуализму, то есть может быть представлен как волной, так и потоком частиц) будто бы «завязла» в парах рубидия, отдав им свою энергию. Однако при несложных манипуляциях (изменении внешнего управляющего магнитного поля) снова рождались фотоны, абсолютно идентичные (по поляризации, энергии и другим характеристикам) тем, что вошли в емкость с парами рубидия: фотоны как бы застревали в рубидии, а через какое-то время снова выходили, поэтому и можно говорить об остановке света.

Теперь стоит сказать о недостижимости скорости света другими частицами и физическими телами. ОТО говорит, что скорости в 300 000 км/с могут достичь только фотоны и только в вакууме. Однако возникают ситуации, когда частицы движутся быстрее, чем свет, и это вовсе не фантастика.

Уже говорилось, что свет в разных средах имеет разную скорость, и эта скорость никак не может увеличиваться. Однако другие частицы (например, электроны) не ограничены в том, с какой скоростью им лететь, например, сквозь стекло. Вот и выходит, что в некоторых средах скорость частиц может превышать скорость света.

Читайте также:  Да будет свет самарканд

Кстати, благодаря этому обстоятельству на дне океанов и в ядерных реакторах может возникать свечение воды. Дело в том, что если частица движется в какой-либо среде быстрее, чем движется в этой же среде свет, то возникает слабое свечение — это так называемый эффект Вавилова — Черенкова. На данном эффекте основаны некоторые детекторы, позволяющие измерять скорости и другие характеристики элементарных частиц. А свечение воды у дна океана может быть вызвано высокоэнергетическими электронами, испускаемыми ядрами радиоактивных элементов, находящихся в грунте.

Так что, прежде чем говорить о скорости света, необходимо оговаривать, в какой среде движется световой луч. Об этом же стоит упоминать и при разговоре о недостижимости скорости света, ведь в некоторых средах быстродвижущимся частицам легко преодолеть световую скорость.

Источник

Почему нельзя превысить скорость света?

В большом адронном коллайдере фотоны разгоняются до скорости 299 792 455 м/с. Это всего на три метра в секунду меньше скорости света. Всего три метра в секунду, неужели, нельзя чуть поднажать и разогнать фотоны выше скорости света?

Статья по теме

Ответ: нельзя. Даже теоретически ни один объект не может двигаться быстрее. И этому есть объяснение. Если коротко, во вселенной абсолютно все двигается с этой скоростью и не может ее превысить.

Для начала стоит отметить, что согласно теории относительности, при увеличении скорости растет и масса. На малых скоростях это не заметно, но при приближении к скорости света она начинает стремительно расти. Разгоняться будет сложнее и сложнее, и энергии всей вселенной не хватит, чтобы увеличивать скорость дальше.

Вот только увеличение массы объясняет не все. Например, почему фотоны — безмассовые частицы — также не могут развить скорость света? Дело в самом устройстве пространства и времени, которое мы часто представляем неправильно. Отталкиваться стоит от того, что мы живем в четырехмерном мире. Кроме трех пространственных измерений, у нас есть еще время.

Для начала возьмем двухмерный мир, где ось х – это пространственная координата, а t — временная. Допустим, какой-то объект перемещается вдоль оси х. Мы можем обозначать его положение в каждый момент времени. Все эти точки образуют так называемую мировую линию.

Если что-то покоится, его мировая линия – это вертикальная прямая, если объект движется, то наклонная. Чем больше скорость, тем больше наклон, потому что за меньшее количество времени преодолевается большее расстояние. Можно даже обозначить наклон, соответствующий скорости света.

Получается, что в нашей реальности не существует неподвижных объектов . И статичные и динамичные объекты передвигаются по оси времени.

Теперь начинается самое интересное, мы переходим к четырехмерному миру и к ответу на вопрос, почему нельзя превысить скорость света. Если пространство четырехмерное, то и скорость тоже должна быть четырехмерной. Ее называют 4-скорость.

На нашем графике – это будет касательная к мировой линии.

Но лучше сделать другой график, где будет видно ее составляющие.

Если вы сидите и ничего не делаете, то перемещаетесь только во времени. Со скоростью одна секунда в секунду. Если начать движение, то появится другая составляющая (скорость в пространстве) и вектор 4-скорости будет наклонен. И оказывается, что размер 4-скорости всегда один и тот же – она равняется скорости света. То есть мы все абсолютно всегда несемся в пространстве и времени с одной и той же 4-скоростью. И ни увеличить, ни уменьшить, мы ее не можем. Единственная возможность – менять ее направление. Если начать двигаться, мы ничего не добавляем к 4-скорости, мы просто изменяем ее наклон.

Чем быстрее мы движемся, тем больше наклон.

Отметим, что чем больше скорость движения в пространстве, тем меньше скорость движения во времени – это и есть тот эффект замедления времени, которым знаменита теория относительности.

Когда 4-скорость достигнет горизонтали на графике, она станет равна скорости света. И как не поворачивай 4-скорость, больше ей уже не стать. Вот он предел. Он следует напрямую из свойств нашего мира.

Читайте также:  Блок плавного включения света 220 вольт

Источник

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.

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?

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.

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.

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.

Спустя еще столетие, наиболее точные значения в земных условиях были получены французским ученым Арманом Физо. С помощью выработанного им «метода 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 ничто. 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?

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.

Читайте также:  Volvo xc90 лампа ближнего света ксенон

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. 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 этой прямой.

Конечно, многие именитые ученые предполагают, что в пространственно–временном континууме могут существовать исключения, например «кротовые норы». Это своего рода туннели, через которые можно мгновенно перемещаться как в пространстве, так и во времени. На практике их существование еще не было доказано. Возможно из-за того, что они нестабильны, или имеют невероятно малые размеры. Но исходя из нюансов описанных в «Специальной теории относительности» и «Модели пространства-времени», некоторые части нашей огромной вселенной могут быть соединены друг с другом.

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 нору требуемым количеством ресурсов. Кстати, этот нюанс делает невозможным и сверхсветовое перемещение.

Больше скорость, больше масса, больше энергии, меньше 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). Быстрее двигаться уже невозможно, так как за пределом координатной прямой нет ничего.

Помимо этого, невозможность сверхсветового перемещения еще связана с зависимостью массы объекта от скорости перемещения. 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 на нашей Земле, к сожалению, невозможно.

Почему же тогда частицы электромагнитного излучения, известные нам как фотоны, могут перемещаться с такой скоростью? Ответ прост — потому что фотоны не имеют массу 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.

Источник

Adblock
detector