ВОЗМОЖНА ЛИ СВЕРХСВЕТОВАЯ СКОРОСТЬ?
В середине прошлого года в журналах появилось сенсационное сообщение. Группа американских исследователей обнаружила, что очень короткий лазерный импульс движется в особым образом подобранной среде в сотни раз быстрее, чем в вакууме. Это явление казалось совершенно невероятным (скорость света в среде всегда меньше, чем в вакууме) и даже породило сомнения в справедливости специальной теории относительности. Между тем сверхсветовой физический объект — лазерный импульс в усиливающей среде — был впервые обнаружен не в 2000 году, а на 35 лет раньше, в 1965 году, и возможность сверхсветового движения широко обсуждалась до начала 70-х годов. Сегодня дискуссия вокруг этого странного явления вспыхнула с новой силой.
Примеры ‘сверхсветового’ движения.
В начале 60-х годов короткие световые импульсы большой мощности стали получать, пропуская через квантовый усилитель (среду с инверсной заселенностью) лазерную вспышку.
В усиливающей среде начальная область светового импульса вызывает вынужденное излучение атомов среды усилителя, а конечная его область — поглощение ими энергии. В результате наблюдателю будет казаться, что импульс движется быстрее света.
Эксперимент Лиджуна Вонга.
Луч света, проходящий сквозь призму из прозрачного материала (например, стекла), преломляется, то есть испытывает дисперсию.
Световой импульс представляет собой набор колебаний разной частоты.
Наверное, всем — даже людям, далеким от физики, — известно, что предельно возможной скоростью движения материальных объектов или распространения любых сигналов является скорость света в вакууме. Она обозначается буквой с и составляет почти 300 тысяч километров в секунду; точная величина с = 299 792 458 м/с. Скорость света в вакууме — одна из фундаментальных физических констант. Невозможность достижения скоростей, превышающих с , вытекает из специальной теории относительности (СТО) Эйнштейна. Если бы удалось доказать, что возможна передача сигналов со сверхсветовой скоростью, теория относительности пала бы. Пока что этого не случилось, несмотря на многочисленные попытки опровергнуть запрет на существование скоростей, больших с . Однако в экспериментальных исследованиях последнего времени обнаружились некоторые весьма интересные явления, свидетельствующие о том, что при специально созданных условиях можно наблюдать сверхсветовые скорости и при этом принципы теории относительности не нарушаются.
Для начала напомним основные аспекты, относящиеся к проблеме скорости света. Прежде всего: почему нельзя (при обычных условиях) превысить световой предел? Потому, что тогда нарушается фундаментальный закон нашего мира — закон причинности, в соответствии с которым следствие не может опережать причину. Никто никогда не наблюдал, чтобы, например, сначала замертво упал медведь, а потом выстрелил охотник. При скоростях же, превышающих с , последовательность событий становится обратной, лента времени отматывается назад. В этом легко убедиться из следующего простого рассуждения.
Предположим, что мы находимся на неком космическом чудо-корабле, движущемся быстрее света. Тогда мы постепенно догоняли бы свет, испущенный источником во все более и более ранние моменты времени. Сначала мы догнали бы фотоны, испущенные, скажем, вчера, затем — испущенные позавчера, потом — неделю, месяц, год назад и так далее. Если бы источником света было зеркало, отражающее жизнь, то мы сначала увидели бы события вчерашнего дня, затем позавчерашнего и так далее. Мы могли бы увидеть, скажем, старика, который постепенно превращается в человека средних лет, затем в молодого, в юношу, в ребенка. То есть время повернуло бы вспять, мы двигались бы из настоящего в прошлое. Причины и следствия при этом поменялись бы местами.
Хотя в этом рассуждении полностью игнорируются технические детали процесса наблюдения за светом, с принципиальной точки зрения оно наглядно демонстрирует, что движение со сверхсветовой скоростью приводит к невозможной в нашем мире ситуации. Однако природа поставила еще более жесткие условия: недостижимо движение не только со сверхсветовой скоростью, но и со скоростью, равной скорости света, — к ней можно только приближаться. Из теории относительности следует, что при увеличении скорости движения возникают три обстоятельства: возрастает масса движущегося объекта, уменьшается его размер в направлении движения и замедляется течение времени на этом объекте (с точки зрения внешнего «покоящегося» наблюдателя). При обычных скоростях эти изменения ничтожно малы, но по мере приближения к скорости света они становятся все ощутимее, а в пределе — при скорости, равной с , — масса становится бесконечно большой, объект полностью теряет размер в направлении движения и время на нем останавливается. Поэтому никакое материальное тело не может достичь скорости света. Такой скоростью обладает только сам свет! (А также «всепроникающая» частица — нейтрино, которая, как и фотон, не может двигаться со скоростью, меньшей с. )
Теперь о скорости передачи сигнала. Здесь уместно воспользоваться представлением света в виде электромагнитных волн. Что такое сигнал? Это некая информация, подлежащая передаче. Идеальная электромагнитная волна — это бесконечная синусоида строго одной частоты, и она не может нести никакой информации, ибо каждый период такой синусоиды в точности повторяет предыдущий. Cкорость перемещения фазы cинусоидальной волны — так называемая фазовая скорость — может в среде при определенных условиях превышать скорость света в вакууме. Здесь ограничения отсутствуют, так как фазовая скорость не является скоростью сигнала — его еще нет. Чтобы создать сигнал, надо сделать какую-то «отметку» на волне. Такой отметкой может быть, например, изменение любого из параметров волны — амплитуды, частоты или начальной фазы. Но как только отметка сделана, волна теряет синусоидальность. Она становится модулированной, состоящей из набора простых синусоидальных волн с различными амплитудами, частотами и начальными фазами — группы волн. Скорость перемещения отметки в модулированной волне и является скоростью сигнала. При распространении в среде эта скорость обычно совпадает с групповой скоростью, характеризующей распространение вышеупомянутой группы волн как целого (см. «Наука и жизнь» № 2, 2000 г.). При обычных условиях групповая скорость, а следовательно, и скорость сигнала меньше скорости света в вакууме. Здесь не случайно употреблено выражение «при обычных условиях», ибо в некоторых случаях и групповая скорость может превышать с или вообще терять смысл, но тогда она не относится к распространению сигнала. В СТО устанавливается, что невозможна передача сигнала со скоростью, большей с .
Почему это так? Потому, что препятствием для передачи любого сигнала со скоростью больше с служит все тот же закон причинности. Представим себе такую ситуацию. В некоторой точке А световая вспышка (событие 1) включает устройство, посылающее некий радиосигнал, а в удаленной точке В под действием этого радиосигнала происходит взрыв (событие 2). Понятно, что событие 1 (вспышка) — причина, а событие 2 (взрыв) — следствие, наступающее позже причины. Но если бы радиосигнал распространялся со сверхсветовой скоростью, наблюдатель вблизи точки В увидел бы сначала взрыв, а уже потом — дошедшую до него со скоростью с световую вспышку, причину взрыва. Другими словами, для этого наблюдателя событие 2 совершилось бы раньше, чем событие 1, то есть следствие опередило бы причину.
Уместно подчеркнуть, что «сверхсветовой запрет» теории относительности накладывается только на движение материальных тел и передачу сигналов. Во многих ситуациях возможно движение с любой скоростью, но это будет движение не материальных объектов и не сигналов. Например, представим себе две лежащие в одной плоскости достаточно длинные линейки, одна из которых расположена горизонтально, а другая пересекает ее под малым углом. Если первую линейку двигать вниз (в направлении, указанном стрелкой) с большой скоростью, точку пересечения линеек можно заставить бежать сколь угодно быстро, но эта точка — не материальное тело. Другой пример: если взять фонарик (или, скажем, лазер, дающий узкий луч) и быстро описать им в воздухе дугу, то линейная скорость светового зайчика будет увеличиваться с расстоянием и на достаточно большом удалении превысит с. Световое пятно переместится между точками А и В со сверхсветовой скоростью, но это не будет передачей сигнала из А в В, так как такой световой зайчик не несет никакой информации о точке А.
Казалось бы, вопрос о сверхсветовых скоростях решен. Но в 60-х годах двадцатого столетия физиками-теоретиками была выдвинута гипотеза существования сверхсветовых частиц, названных тахионами. Это очень странные частицы: теоретически они возможны, но во избежание противоречий с теорией относительности им пришлось приписать мнимую массу покоя. Физически мнимая масса не существует, это чисто математическая абстракция. Однако это не вызвало особой тревоги, поскольку тахионы не могут находиться в покое — они существуют (если существуют!) только при скоростях, превышающих скорость света в вакууме, а в этом случае масса тахиона оказывается вещественной. Здесь есть некоторая аналогия с фотонами: у фотона масса покоя равна нулю, но это просто означает, что фотон не может находиться в покое — свет нельзя остановить.
Наиболее сложным оказалось, как и следовало ожидать, примирить тахионную гипотезу с законом причинности. Попытки, предпринимавшиеся в этом направлении, хотя и были достаточно остроумными, не привели к явному успеху. Экспериментально зарегистриро вать тахионы также никому не удалось. В итоге интерес к тахионам как к сверхсветовым элементарным частицам постепенно сошел на нет.
Однако в 60-х же годах было экспериментально обнаружено явление, поначалу приведшее физиков в замешательство. Об этом подробно рассказано в статье А. Н. Ораевского «Сверхсветовые волны в усиливающих средах» (УФН № 12, 1998 г.). Здесь мы кратко приведем суть дела, отсылая читателя, интересующегося подробностями, к указанной статье.
Вскоре после открытия лазеров — в начале 60-х годов — возникла проблема получения коротких (длительностью порядка 1 нс = 10 -9 с) импульсов света большой мощности. Для этого короткий лазерный импульс пропускался через оптический квантовый усилитель. Импульс расщеплялся светодели тельным зеркалом на две части. Одна из них, более мощная, направлялась в усилитель, а другая распространялась в воздухе и служила опорным импульсом, с которым можно было сравнивать импульс, прошедший через усилитель. Оба импульса подавались на фотоприемники, а их выходные сигналы могли визуально наблюдаться на экране осциллографа. Ожидалось, что световой импульс, проходящий через усилитель, испытает в нем некоторую задержку по сравнению с опорным импульсом, то есть скорость распространения света в усилителе будет меньше, чем в воздухе. Каково же было изумление исследователей, когда они обнаружили, что импульс распространялся через усилитель со скоростью не только большей, чем в воздухе, но и превышающей скорость света в вакууме в несколько раз!
Оправившись от первого шока, физики стали искать причину столь неожиданного результата. Ни у кого не возникло даже малейшего сомнения в принципах специальной теории относительности, и именно это помогло найти правильное объяснение: если принципы СТО сохраняются, то ответ следует искать в свойствах усиливающей среды.
Не вдаваясь здесь в детали, укажем лишь, что подробный анализ механизма действия усиливающей среды полностью прояснил ситуацию. Дело заключалось в изменении концентрации фотонов при распространении импульса — изменении, обусловленном изменением коэффициента усиления среды вплоть до отрицательного значения при прохождении задней части импульса, когда среда уже поглощает энергию, ибо ее собственный запас уже израсходован вследствие передачи ее световому импульсу. Поглощение вызывает не усиление, а ослабление импульса, и, таким образом, импульс оказывается усиленным в передней и ослабленным в задней его части. Представим себе, что мы наблюдаем за импульсом при помощи прибора, движущегося со скоростью света в среде усилителя. Если бы среда была прозрачной, мы видели бы застывший в неподвижности импульс. В среде же, в которой происходит упомянутый выше процесс, усиление переднего и ослабление заднего фронта импульса будет представляться наблюдателю так, что среда как бы подвинула импульс вперед. Но раз прибор (наблюдатель) движется со скоростью света, а импульс обгоняет его, то скорость импульса превышает скорость света! Именно этот эффект и был зарегистрирован экспериментаторами. И здесь действительно нет противоречия с теорией относительности: просто процесс усиления таков, что концентрация фотонов, вышедших раньше, оказывается больше, чем вышедших позже. Со сверхсветовой скоростью перемещаются не фотоны, а огибающая импульса, в частности его максимум, который и наблюдается на осциллографе.
Таким образом, в то время как в обычных средах всегда происходит ослабление света и уменьшение его скорости, определяемое показателем преломления, в активных лазерных средах наблюдается не только усиление света, но и распространение импульса со сверхсветовой скоростью.
Некоторые физики пытались экспериментально доказать наличие сверхсветового движения при туннельном эффекте — одном из наиболее удивительных явлений в квантовой механике. Этот эффект состоит в том, что микрочастица (точнее говоря, микрообъект, в разных условиях проявляющий как свойства частицы, так и свойства волны) способна проникать через так называемый потенциальный барьер — явление, совершенно невозможное в классической механике (в которой аналогом была бы такая ситуация: брошенный в стену мяч оказался бы по другую сторону стены или же волнообразное движение, приданное привязанной к стене веревке, передавалось бы веревке, привязанной к стене с другой стороны). Сущность туннельного эффекта в квантовой механике состоит в следующем. Если микрообъект, обладающий определенной энергией, встречает на своем пути область с потенциальной энергией, превышающей энергию микрообъекта, эта область является для него барьером, высота которого определяется разностью энергий. Но микрообъект «просачивается» через барьер! Такую возможность дает ему известное соотношение неопределенностей Гейзенбер га, записанное для энергии и времени взаимодействия. Если взаимодействие микрообъекта с барьером происходит в течение достаточно определенного времени, то энергия микрообъекта будет, наоборот, характеризоваться неопределенностью, и если эта неопределен ность будет порядка высоты барьера, то последний перестает быть для микрообъекта непреодолимым препятствием. Вот скорость проникновения через потенциальный барьер и стала предметом исследований ряда физиков, полагающих, что она может превышать с .
В июне 1998 года в КЈльне состоялся международный симпозиум по проблемам сверхсветовых движений, где обсуждались результаты, полученные в четырех лабораториях — в Беркли, Вене, КЈльне и во Флоренции.
И, наконец, в 2000 году появились сообщения о двух новых экспериментах, в которых проявились эффекты сверхсветового распространения. Один из них выполнил Лиджун Вонг с сотрудниками в исследовательском институте в Принстоне (США). Его результат состоит в том, что световой импульс, входящий в камеру, наполненную парами цезия, увеличивает свою скорость в 300 раз. Получалось, что главная часть импульса выходит из дальней стенки камеры даже раньше, чем импульс входит в камеру через переднюю стенку. Такая ситуация противоречит не только здравому смыслу, но, в сущности, и теории относитель ности.
Сообщение Л. Вонга вызвало интенсивное обсуждение в кругу физиков, большинство которых не склонны видеть в полученных результатах нарушение принципов относительно сти. Задача состоит в том, полагают они, чтобы правильно объяснить этот эксперимент.
В эксперименте Л.Вонга световой импульс, входящий в камеру с парами цезия, имел длительность около 3 мкс. Атомы цезия могут находиться в шестнадцати возможных квантовомеханических состояниях, называемых «сверхтонкие магнитные подуровни основного состояния». При помощи оптической лазерной накачки почти все атомы приводились только в одно из этих шестнадцати состояний, соответствующее почти абсолютному нулю температуры по шкале Кельвина (-273,15 о C). Длина цезиевой камеры составляла 6 сантиметров. В вакууме свет проходит 6 сантиметров за 0,2 нс. Через камеру же с цезием, как показали выполненные измерения, световой импульс проходил за время на 62 нс меньшее, чем в вакууме. Другими словами, время прохождения импульса через цезиевую среду имеет знак «минус»! Действительно, если из 0,2 нс вычесть 62 нс, получим «отрицательное» время. Эта «отрицательная задержка» в среде — непостижимый временной скачок — равен времени, в течение которого импульс совершил бы 310 проходов через камеру в вакууме. Следствием этого «временного переворота» явилось то, что выходящий из камеры импульс успел удалиться от нее на 19 метров, прежде чем приходящий импульс достиг ближней стенки камеры. Как же можно объяснить такую невероятную ситуацию (если, конечно, не сомневаться в чистоте эксперимента)?
Судя по развернувшейся дискуссии, точное объяснение еще не найдено, но несомненно, что здесь играют роль необычные дисперсионные свойства среды: пары цезия, состоящие из возбужденных лазерным светом атомов, представляют собой среду с аномальной дисперсией. Напомним кратко, что это такое.
Дисперсией вещества называется зависимость фазового (обычного) показателя преломления n от длины волны света l. При нормальной дисперсии показатель преломления увеличивается с уменьшением длины волны, и это имеет место в стекле, воде, воздухе и всех других прозрачных для света веществах. В веществах же, сильно поглощающих свет, ход показателя преломления с изменением длины волны меняется на обратный и становится гораздо круче: при уменьшении l (увеличении частоты w) показатель преломления резко уменьшается и в некоторой области длин волн становится меньше единицы (фазовая скорость V ф > с ). Это и есть аномальная дисперсия, при которой картина распространения света в веществе меняется радикальным образом. Групповая скорость V гр становится больше фазовой скорости волн и может превысить скорость света в вакууме (а также стать отрицательной). Л. Вонг указывает на это обстоятельство как на причину, лежащую в основе возможности объяснения результатов его эксперимента. Следует, однако, заметить, что условие V гр > с является чисто формальным, так как понятие групповой скорости введено для случая малой (нормальной) дисперсии, для прозрачных сред, когда группа волн при распространении почти не меняет своей формы. В областях же аномальной дисперсии световой импульс быстро деформируется и понятие групповой скорости теряет смысл; в этом случае вводятся понятия скорости сигнала и скорости распространения энергии, которые в прозрачных средах совпадают с групповой скоростью, а в средах с поглощением остаются меньше скорости света в вакууме. Но вот что интересно в эксперименте Вонга: световой импульс, пройдя через среду с аномальной дисперсией, не деформируется — он в точности сохраняет свою форму! А это соответствует допущению о распространении импульса с групповой скоростью. Но если так, то получается, что в среде отсутствует поглощение, хотя аномальная дисперсия среды обусловлена именно поглощением! Сам Вонг, признавая, что многое еще остается неясным, полагает, что происходящее в его экспериментальной установке можно в первом приближении наглядно объяснить следующим образом.
Световой импульс состоит из множества составляющих с различными длинами волн (частотами). На рисунке показаны три из этих составляющих (волны 1-3). В некоторой точке все три волны находятся в фазе (их максимумы совпадают); здесь они, складываясь, усиливают друг друга и образуют импульс. По мере дальнейшего распространения в пространстве волны расфазируются и тем самым «гасят» друг друга.
В области аномальной дисперсии (внутри цезиевой ячейки) волна, которая была короче (волна 1), становится длиннее. И наоборот, волна, бывшая самой длинной из трех (волна 3), становится самой короткой.
Следовательно, соответственно меняются и фазы волн. Когда волны прошли через цезиевую ячейку, их волновые фронты восстанавливаются. Претерпев необычную фазовую модуляцию в веществе с аномальной дисперсией, три рассматриваемые волны вновь оказываются в фазе в некоторой точке. Здесь они снова складываются и образуют импульс точно такой же формы, как и входящий в цезиевую среду.
Обычно в воздухе и фактически в любой прозрачной среде с нормальной дисперсией световой импульс не может точно сохранять свою форму при распространении на удаленное расстояние, то есть все его составляющие не могут быть сфазированы в какой-либо удаленной точке вдоль пути распространения. И в обычных условиях световой импульс в такой удаленной точке появляется спустя некоторое время. Однако вследствие аномальных свойств использованной в эксперименте среды импульс в удаленной точке оказался сфазирован так же, как и при входе в эту среду. Таким образом, световой импульс ведет себя так, как если бы он имел отрицательную временную задержку на пути до удаленной точки, то есть пришел бы в нее не позже, а раньше, чем прошел среду!
Большая часть физиков склонна связывать этот результат с возникновением низкоинтенсивного предвестника в диспергирующей среде камеры. Дело в том, что при спектральном разложении импульса в спектре присутствуют составляющие сколь угодно высоких частот с ничтожно малой амплитудой, так называемый предвестник, идущий впереди «главной части» импульса. Характер установления и форма предвестника зависят от закона дисперсии в среде. Имея это в виду, последовательность событий в эксперименте Вонга предлагается интерпретировать следующим образом. Приходящая волна, «простирая» предвестник впереди себя, приближается к камере. Прежде чем пик приходящей волны попадет на ближнюю стенку камеры, предвестник инициирует возникновение импульса в камере, который доходит до дальней стенки и отражается от нее, образуя «обратную волну». Эта волна, распространяясь в 300 раз быстрее с , достигает ближней стенки и встречается с приходящей волной. Пики одной волны встречаются со впадинами другой, так что они уничтожают друг друга и в результате ничего не остается. Получается, что приходящая волна «возвращает долг» атомам цезия, которые «одалживали» ей энергию на другом конце камеры. Тот, кто наблюдал бы только начало и конец эксперимента, увидел бы лишь импульс света, который «прыгнул» вперед во времени, двигаясь быстрее с.
Л. Вонг считает, что его эксперимент не согласуется с теорией относительности. Утверждение о недостижимости сверхсветовой скорости, полагает он, применимо только к объектам, обладающим массой покоя. Свет может быть представлен либо в виде волн, к которым вообще неприменимо понятие массы, либо в виде фотонов с массой покоя, как известно, равной нулю. Поэтому скорость света в вакууме, считает Вонг, не предел. Тем не менее Вонг признает, что обнаруженный им эффект не дает возможности передавать информацию со скоростью больше с .
«Информация здесь уже заключена в переднем крае импульса, — говорит П. Милонни, физик из Лос-Аламосской национальной лаборатории США. — И может создаться впечатление о сверхсветовой посылке информации, даже когда вы ее не посылаете».
Большинство физиков считают, что новая работа не наносит сокрушительного удара по фундаментальным принципам. Но не все физики полагают, что проблема улажена. Профессор А. Ранфагни из итальянской исследовательской группы, осуществившей еще один интересный эксперимент 2000 года, считает, что вопрос еще остается открытым. Этот эксперимент, проведенный Даниэлом Мугнаи, Анедио Ранфагни и Рокко Руггери, обнаружил, что радиоволны сантиметрового диапазона в обычном воздухе распространяются со скоростью, превышающей с на 25%.
Резюмируя, можно сказать следующее. Работы последних лет показывают, что при определенных условиях сверхсветовая скорость действительно может иметь место. Но что именно движется со сверхсветовой скоростью? Теория относительности, как уже упоминалось, запрещает такую скорость для материальных тел и для сигналов, несущих информацию. Тем не менее некоторые исследователи весьма настойчиво пытаются продемонстри ровать преодоление светового барьера именно для сигналов. Причина этого кроется в том, что в специальной теории относительности нет строгого математического обоснования (базирующегося, скажем, на уравнениях Максвелла для электромагнитного поля) невозможности передачи сигналов со скоростью больше с . Такая невозможность в СТО устанавливается, можно сказать, чисто арифметически, исходя из эйнштейновской формулы сложения скоростей, но фундаментальным образом это подтверждается принципом причинности. Сам Эйнштейн, рассматривая вопрос о сверхсветовой передаче сигналов, писал, что в этом случае «. мы вынуждены считать возможным механизм передачи сигнала, при использовании которого достигаемое действие предшествует причине. Но, хотя этот результат с чисто логической точки зрения и не содержит в себе, по-моему, никаких противоречий, он все же настолько противоречит характеру всего нашего опыта, что невозможность предположения V > с представляется в достаточной степени доказанной». Принцип причинности — вот тот краеугольный камень, который лежит в основе невозможности сверхсветовой передачи сигналов. И об этот камень, по-видимому, будут спотыкаться все без исключения поиски сверхсветовых сигналов, как бы экспериментаторам не хотелось такие сигналы обнаружить, ибо такова природа нашего мира.
В заключение следует подчеркнуть, что все вышеизложенное относится именно к нашему миру, к нашей Вселенной. Такая оговорка сделана потому, что в последнее время в астрофизике и космологии появляются новые гипотезы, допускающие существование множества скрытых от нас Вселенных, соединенных топологическими туннелями -перемычками. Такой точки зрения придерживается, например, известный астрофизик Н. С. Кардашев. Для внешнего наблюдателя входы в эти туннели обозначаются аномальными полями тяготения, подобно черным дырам. Перемещения в таких туннелях, как предполагают авторы гипотез, позволят обойти ограничение скорости движения, накладыва емое в обычном пространстве скоростью света, и, следовательно, реализовать идею о создании машины времени. Не исключено, что в подобных Вселенных действительно могут происходить необычные для нас вещи. И хотя пока что такие гипотезы слишком уж напоминают сюжеты из научной фантастики, вряд ли следует категорически отвергать принципиальную возможность многоэлементной модели устройства материального мира. Другое дело, что все эти другие Вселенные, скорее всего, останутся чисто математическими построениями физиков-теоретиков, живущих в нашей Вселенной и силой своей мысли пытающихся нащупать закрытые для нас миры.
См. в номере на ту же тему
Читайте в любое время
Детальное описание иллюстрации
Примеры ‘сверхсветового’ движения: а. Точка пересечения двух линеек, соединенных под острым углом в виде ножниц, может двигаться со сколь угодно большой скоростью. б. Лазерный луч, описывающий дугу, на очень большом удалении станет двигаться по экрану гораздо быстрее скорости света. Оба эти случая не противоречат теории относительности: ни информация, ни материальные объекты при этом не переносятся.
В начале 60-х годов короткие световые импульсы большой мощности стали получать, пропуская через квантовый усилитель (среду с инверсной заселенностью) лазерную вспышку. Ее расщепляли на две части: одна распространялась в воздухе и служила опорным импульсом, другая проходила через усилитель. Оба импульса регистрировали фотоприемники, подававшие сигналы на осциллограф. Вопреки ожиданиям, импульс проходил по среде быстрее, чем по воздуху.
Эксперимент Лиджуна Вонга. Сквозь камеру длиной 6 сантиметров, наполненную парами цезия, лазерный импульс проходит со скоростью в 310 раз большей скорости света. Приходящий импульс еще не успел подойти к ближней стенке камеры, как прошедший сквозь нее удалился на 19 метров! Время прохождения импульса сквозь камеру оказывается ‘отрицательным’.
Луч света, проходящий сквозь призму из прозрачного материала (например, стекла), преломляется, то есть испытывает дисперсию. Природные вещества обладают нормальной дисперсией — их показатель преломления растет с уменьшением длины волны. При аномальной дисперсии наблюдается обратная зависимость: чем больше длина волны, тем выше показатель преломления. Сред с аномальной дисперсией в природе не существует, но их можно ‘приготовить’ искусственно.
Световой импульс представляет собой набор колебаний разной частоты. В среде, обладающей аномальной дисперсией (в данном случае — парах цезия), низкочастот ные компоненты повышают свою частоту, а высокочастотные — понижают. Соответственно меняются и скорости волн. После прохождения ячейки с парами соотношение частот восстанавливается, воспроизводя первоначальную форму импульса. Происходит это гораздо быстрее, чем при движении импульса в вакууме.
Давайте разберемся: почему ничто не может быть быстрее света?
В сентябре 2011 года физик Антонио Эредитато поверг мир в шок. Его заявление могло перевернуть наше понимание Вселенной. Если данные, собранные 160 учеными проекта OPERA, были правильными, наблюдалось невероятное. Частицы — в этом случае нейтрино — двигались быстрее света. Согласно теории относительности Эйнштейна, это невозможно. И последствия такого наблюдения были бы невероятными. Возможно, пришлось бы пересмотреть самые основы физики.
Может ли что-то двигаться быстрее скорости света?
Результаты эксперимента OPERA
Хотя Эредитато говорил, что он и его команда были «крайне уверены» в своих результатах, они не говорили о том, что данные были совершенно точными. Напротив, они попросили других ученых помочь им разобраться в том, что происходит.
В конце концов, оказалось, что результаты OPERA были ошибочными. Из-за плохо подключенного кабеля возникла проблема синхронизации, и сигналы с GPS-спутников были неточными. Была неожиданная задержка в сигнале. Как следствие, измерения времени, которое потребовалось нейтрино на преодоление определенной дистанции, показали лишние 73 наносекунды: казалось, что нейтрино пролетели быстрее, чем свет.
Несмотря на месяцы тщательной проверки до начала эксперимента и перепроверку данных впоследствии, ученые серьезно ошиблись. Эредитато ушел в отставку, вопреки замечаниям многих о том, что подобные ошибки всегда происходили из-за чрезвычайной сложности устройства ускорителей частиц.
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.
Что может изменить скорость движения электронов
Вместо этого нужно было прикладывать огромные количества дополнительной энергии, чтобы хоть немного изменить скорость движения электронов. Она приближалась к скорости света все ближе и ближе, но никогда ее не достигла.
Представьте себе движение к двери небольшими шажочками, каждый из которых преодолевает половину расстояния от вашей текущей позиции до двери. Строго говоря, вы никогда не доберетесь до двери, поскольку после каждого вашего шага у вас будет оставаться дистанция, которую нужно преодолеть. Примерно с такой проблемой Бертоцци столкнулся, разбираясь со своими электронами.
Но свет состоит из частиц под названием фотоны. Почему эти частицы могут двигаться на скорости света, а электроны — нет?
Ученые используют все более мощную технику для изучения частиц
«По мере того как объекты движутся все быстрее и быстрее, они становятся все тяжелее — чем тяжелее они становятся, тем труднее им разогнаться, поэтому вы никогда на наберете скорость света», говорит Роджер Рассул, физик из Университета Мельбурна в Австралии. «У фотона нет массы. Если бы у него была масса, 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.
Заходите в наш специальный Telegram-чат. Там всегда есть с кем обсудить новости из мира высоких технологий.
Тем не менее свет движется намного медленнее, чем мы могли бы ожидать. Хотя интернет-техники любят говорить о коммуникациях, которые работают «на скорости света» в оптоволокне, свет движется на 40% медленнее в стекле этого оптоволокна, чем в вакууме.
Скорость движения фотонов
В реальности, фотоны движутся на скорости 300 000 км/с, но сталкиваются с определенной интерференцией, помехами, вызванными другими фотонами, которые испускаются атомами стекла, когда проходит главная световая волна. Понять это может быть нелегко, но мы хотя бы попытались.
В реальности, фотоны движутся на скорости 300 000 километров в секунду
Точно так же, в рамках специальных экспериментов с отдельными фотонами, удавалось замедлить их весьма внушительно. Но для большинства случаев будет справедливо число в 300 000. Мы не видели и не создавали ничего, что могло бы двигаться так же быстро, либо еще 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 связан с человеком по имени Альберт Эйнштейн, как часто бывает в физике. Его специальная теория относительности исследует множество последствий его универсальных пределов скорости. Одним из важнейших элементов теории является идея того, что скорость света постоянна. Независимо от того, где вы и как быстро движетесь, свет всегда движется с одинаковой скоростью.
Но из этого вытекает несколько концептуальных проблем.
Представьте себе свет, который падает от фонарика на зеркало на потолке стационарного космического аппарата. Свет идет вверх, отражается от зеркала и падает на пол космического аппарата. Скажем, он преодолевает дистанцию в 10 метров.
Теперь представим, что этот космический аппарат начинает движение с колоссальной скоростью во многие тысячи километров в секунду. Когда вы включаете фонарик, свет ведет себя как прежде: светит вверх, попадает в зеркало и отражается в пол. Но чтобы это сделать, свету придется преодолеть диагональное расстояние, а не вертикальное. В конце концов, зеркало теперь быстро движется вместе с космическим аппаратом.
Соответственно, увеличивается дистанция, которую преодолевает свет. Скажем, на 5 метров. Выходит 15 метров в общем, а не 10.
И несмотря на это, хотя дистанция увеличилась, теории Эйнштейна утверждают, что свет по-прежнему будет двигаться с той же скоростью. Поскольку скорость — это расстояние, деленное на время, раз скорость осталась прежней, а расстояние увеличилось, время тоже должно увеличиться. Да, само время должно растянуться. И хотя это звучит странно, но это было подтверждено экспериментально.
Теории Эйнштейна говорят о замедлении времени
Этот феномен называется замедлением времени. Время движется медленнее для людей, которые передвигаются в быстро движущемся транспорте, относительно тех, кто неподвижен.
Может ли время идти по-разному
К примеру, время идет на 0,007 секунды медленнее для астронавтов на Международной космической станции, которая движется со скоростью 7,66 км/с относительно Земли, если сравнивать с людьми на планете. Еще интереснее ситуация с частицами вроде вышеупомянутых электронов, которые могут двигаться близко к скорости света. В случае с этими частицами, степень замедления будет огромной.
Стивен Кольтхаммер, физик-экспериментатор из Оксфордского университета в Великобритании, указывает на пример с частицами под названием мюоны.
Подписывайтесь на наш канал в Яндекс Дзен. Там можно найти много всего интересного, чего нет даже на нашем сайте.
Мюоны нестабильны: они быстро распадаются на более простые частицы. Так быстро, что большинство мюонов, покидающих Солнце, должны распадаться к моменту достижения Земли. Но в реальности мюоны прибывают на Землю с Солнца в колоссальных объемах. Физики долгое время пытались понять почему.
«Ответом на эту загадку является то, что мюоны генерируются с такой энергией, что движутся на скорости близкой к световой, — говорит Кольтхаммер. — Их ощущение времени, так сказать, их внутренние часы идут 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, сжимается. Эти последствия, замедление времени и уменьшение длины, представляют собой примеры того, как изменяется пространство-время в зависимости от движения вещей — меня, тебя или космического аппарата — обладающих массой.
Солнце и испускаемый им свет
Что важно, как говорил Эйнштейн, на свет это не влияет, поскольку у него нет массы. Вот почему эти принципы идут рука об руку. Если бы предметы могли двигаться быстрее света, они бы подчинялись фундаментальным законам, которые описывают работу Вселенной. Это ключевые принципы. Теперь мы можем поговорить о нескольких исключениях и отступлениях.
Можно ли двигаться быстрее скорости света
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. К примеру, возьмем расширение самой Вселенной. Галактики во Вселенной удаляются друг от друга на скорости, значительно превышающей световую.
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.
Два ученых, каждый из которых изучает свой собственный фотон, получат один и тот же результат одновременно, быстрее, чем могла бы позволить скорость света.
Однако в обоих этих примерах важно отметить, что никакая информация не перемещается быстрее скорости света между двумя объектами. Мы можем вычислить расширение Вселенной, но не можем наблюдать объекты быстрее света в ней: они исчезли из поля зрения.
Что касается двух ученых с их фотонами, хотя они могли бы получить один результат одновременно, они не могли бы дать об этом знать друг другу быстрее, чем перемещается свет между ними.
«Это не создает нам никаких проблем, поскольку если вы способны посылать сигналы быстрее света, вы получаете причудливые парадоксы, в соответствии с которыми информация может каким-то образом вернуться назад во времени», говорит Кольтхаммер.
Есть и другой возможный способ сделать путешествия быстрее света технически возможными: разломы в пространстве-времени, которые позволят путешественнику избежать правил обычного путешествия.
Возможно ли путешествие через червоточину со скоростью больше или равной скорости света?
Джеральд Кливер из Университета Бейлор в Техасе считает, что однажды мы сможем построить космический аппарат, путешествующий быстрее света. Который движется через червоточину. Червоточины — это петли в пространстве-времени, прекрасно вписывающиеся в теории Эйншейна. Они могли бы позволить астронавту перескочить из одного конца Вселенной в другой с помощью аномалии в пространстве-времени, некой формы космического короткого пути.
Объект, путешествующий через червоточину, не будет превышать скорость света, но теоретически может достичь пункта назначения быстрее, чем свет, который идет по «обычному» пути. Но червоточины могут быть вообще недоступными 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 «двигателя Алькубьерре», предложенную физиком-теоретиком Мигелем Алькубьерре в 1994 году. Он описывает ситуацию, в которой пространство-время сжимается перед космическим аппаратом, толкая его вперед, и расширяется позади него, также толкая его вперед. «Но потом, — говорит Кливер, — возникли проблемы: как это сделать и сколько понадобится энергии».
В 2008 году он и его аспирант Ричард Обоузи рассчитали, сколько понадобится энергии.
«Мы представили корабль 10 м х 10 м х 10 м — 1000 кубометров — и подсчитали, что количество энергии, необходимое для начала процесса, будет эквивалентно массе целого Юпитера».
После этого, энергия должна постоянно «подливаться», чтобы процесс не завершился. Никто не знает, станет ли это когда-нибудь возможно, либо на что будут похожи необходимые технологии. «Я не хочу, чтобы меня потом столетиями цитировали, будто я предсказывал что-то, чего никогда не будет, — говорит Кливер, — но пока я не вижу решений».
Итак, путешествия быстрее скорости света остаются фантастикой на текущий момент. Пока единственный способ посетить экзопланету при жизни — погрузиться в глубокий анабиоз. И все же не все так плохо. В большинстве случаев мы говорили о видимом свете. Но в реальности свет — это намного большее. От радиоволн и микроволн до видимого света, ультрафиолетового излучения, рентгеновских лучей и гамма-лучей, испускаемых атомами в процессе распада — все эти прекрасные лучи состоят из одного и того же: фотонов.
Чтобы не пропустить ничего интересного из мира высоких технологий, подписывайтесь на наш новостной канал в Telegram. Там вы узнаете много нового.
Разница в энергии, а значит — в длине волны. Все вместе, эти лучи составляют электромагнитный спектр. То, что радиоволны, к примеру, движутся со скоростью света, невероятно полезно для коммуникаций.
Цветовой спектр света
В своем исследовании Кольтхаммер создает схему, которая использует фотоны для передачи сигналов из одной части схемы в другую, так что вполне заслуживает права прокомментировать полезность невероятной 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», отмечает он. И добавляет, что свет выступает как коммуникационная сила Вселенной. Когда электроны в мобильном телефоне начинают дрожать, фотоны вылетают и приводят к тому, что электроны в другом мобильном телефоне тоже дрожат. Так рождается телефонный звонок. Дрожь электронов на Солнце также испускает фотоны — в огромных количествах — которые, конечно, образуют свет, дающий жизни на Земле тепло и, кхм, свет.
Свет — это универсальный язык Вселенной. Его скорость — 299 792,458 км/с — остается постоянной. Между тем, пространство и время податливы. Возможно, нам стоит задумываться не о том, как двигаться быстрее света, а как быстрее перемещаться по этому пространству и этому времени? Зреть в корень, так сказать?
Почему нельзя двигаться быстрее света?
Вы наверняка хотя бы раз слышали о том, что скорость света – максимальная из возможных, и во Вселенной не существует ничего и никого, кто мог бы двигаться быстрее. Кроме, пожалуй, Барри Аллена. Ему можно. Если быть точным, то ничто не может превысить скорость света в вакууме. Но мы уловить разницу между перемещением света в воздухе и космическом пространстве попросту не сможем. Поэтому, если вы будете опускать слово «вакуум», вас не осудят.
Так почему нельзя двигаться быстрее скорости света? Потому что, согласно Общей теории относительности, при приближении к околосветовой скорости масса объекта стремится к бесконечности, а энергию он получает такую, что она его попросту разрушит. В противном случае все это будет противоречить основным законам физики. И пусть люди постоянно ищут способы обойти эти ограничения, например, с помощью квантовой телепортации или создания варп-двигателей из Звездного пути, переместиться из точки А в точку Б быстрее света мы все еще не можем.
«Потому что это противоречит законам физики» – достаточно точный и емкий ответ. Но всегда ведь хочется знать, почему это противоречит законам физики. В большинстве ссылок, которые Гугл выдаст вам по этому вопросу, будет написано что-то подобное:
Скорость света в вакууме (299 792 км/с) — это абсолютный предел, превысить который невозможно, что следует из законов физики.
Представьте себе космический корабль, летящий со скоростью, равной половине скорости света. Если находящийся на его борту космонавт посветит прожектором в направлении движения, то не будет ли для неподвижного наблюдателя скорость луча прожектора в 1,5 раза больше скорости света? Как ни странно, нет. Скорость света всегда одна и та же, независимо от того, измеряется она неподвижным наблюдателем или человеком на борту звездолета. Это кажущееся противоречие устраняется только в специальной теории относительности Эйнштейна, согласно которой с точки зрения неподвижного наблюдателя время на быстро движущемся корабле замедляется, а расстояние укорачивается. Из-за релятивистского изменения промежутков времени и расстояний на борту быстро летящего корабля измеренная астронавтом скорость света будет такой же, как и скорость света, измеренная внешним неподвижным наблюдателем. Другое следствие теории относительности — увеличение массы движущегося объекта с увеличением его скорости. Так, с приближением скорости корабля к скорости света его масса стремится к бесконечности.
Если такого объяснения вам было достаточно, дальше можете статью не читать, потому что не увидите в ней ничего нового для себя. Но многие пользователи интернета с физикой на «вы», поэтому жонглирование понятиями типа «релятивистская масса» не объяснит им всей сути и будет очень скучным. К тому же, как объяснить такое детям, которые только что столкнулись со скоростью света в курсе школьной физики? Они точно не смогут углубиться в вопрос настолько серьезно. Поэтому давайте попытаемся объяснить, почему скорость света максимальна, более простым языком.
Порассуждаем на эту тему с помощью старой доброй геометрии. Не спешите расстраиваться, она не сложнее, чем рисование графиков и позволяет более наглядно понять рассматриваемую тему, заменяя все сложные термины более простыми аналогиями.
Итак, фундаментальная геометрия Вселенной описывается восемью направлениями: шестью пространственными и двумя временными. Все они вам прекрасно известны. Во-первых, это четыре стороны: юг, север, запад, восток. Во-вторых – понятия «вверх» и «вниз». Вместе данные направления составляют так называемый ортогональный базис, но сейчас не о нем. Эти направления существуют в каждой точке пространства, где мы находимся. Да, в космосе нет верха и низа, но поместите себя в космический корабль, и они тут же появятся. Поэтому просто будем считать все эти стороны абсолютными.
Осталось добавить лишь два временных направления, которые вам также хорошо известны: в будущее и в прошлое. Если с пространственным перемещением у нас обычно проблем не бывает, то с временными есть одна небольшая заминка – мы не можем двигаться назад. Будущее нам еще предстоит пережить, поэтому мы постоянно движемся к нему, а вот прошлое уже пережито, и вернуться туда нельзя.
Эти восемь направлений не просто так названы фундаментальными. Они образуют четыре пары измерений: влево-вправо, вверх-вниз, вперед-назад и от прошлого к будущему. Это четыре измерения, в которых мы с вами живем, из которых «состоит» наша Вселенная, пространство-время. Насчет того, насколько корректно такое приравнивание, можно спорить долго, но в рамках этой статьи пусть данные термины будут синонимами. Так всем будет проще.
Теперь, когда введение наконец закончилось, можно приступать к объяснениям. В данный момент, независимо от того, где вы находитесь, и что делаете, вы пребываете в движении. Движетесь вы не только в пространстве вместе со все планетой и даже галактикой, но и во времени – в будущее.
Проще всего понять это, представив себя в самолете. Современные аппараты летают так мягко, что вы можете даже не почувствовать никакого перемещения. Даже если вы выглянете в иллюминатор, скорее всего, не сможете наблюдать меняющиеся внизу пейзажи из-за большой высоты. А если еще и погода облачная, то подавно.
Как тогда узнать, что вы действительно движетесь? Очень просто – подождать. Когда самолет приземлится, вы окажетесь совершенно в другом месте, отличном от того, в которым вы были несколько часов назад. В реальной жизни вы, конечно же, будете осознавать, что самолет не может просто висеть в воздухе, да и увидите новые пейзажи при посадке. Но давайте отбросим все это для чистоты эксперимента.
Эта метафора отлично описывает вас прямо сейчас. Самолет – это все, что вас окружает в данный момент, весь мир. Даже сидя на одном месте, вы все равно пребываете в движении, потому что движетесь в новый день. И если конечная цель – долететь до «Завтра», вы никогда не сможете этого сделать, потому что каждый день – это сегодня. Каждый день мы пытаемся достичь этого мифического «завтра», но все наши попытки тщетны. И даже при этом мы останавливаемся и упорно продолжаем движение во времени вперед.
Даже если вы будете сидеть в своем кресле, а люди вокруг вас будут двигаться, вы прибудете в новый день в одно и то же время. Почему? Потому что для вас, ваших соседей, кота, попугая и любого другого существа время движется с одинаковой скоростью. Двигаться быстрее вы не сможете, потому что чем быстрее движетесь вы, тем медленнее – все вокруг вас. Даже будь вы Барри Алленом, вы и ваши окружающие все равно встречали бы следующий час одновременно. Просто вы за этот час могли бы сделать гораздо больше, и он показался бы вам намного длиннее, чем обычно.
Если вам все это понятно, давайте представлять дальше. Движение во времени можно сравнить какой-нибудь гоночной игрой, где вы управляете автомобилем, движущемся по дороге вперед. Он имеет автоматическое ускорение, поэтому вы не можете никак повлиять на скорость – вам остается лишь рулить.
В игре вы, конечно, можете врезаться в препятствие и тем самым замедлиться или подобрать бонус ускорения, чтобы прийти к финишу быстрее. В жизни так, естественно, не получится. Вы можете рулить своей жизнью во Вселенной как хотите, но она все равно доставит вас в будущее одновременно со всеми. Ускорить или замедлить этот процесс вы не в состоянии.
Неважно, продолжите вы сейчас читать эту статью или закроете ее и станете заниматься другими делами. В каком бы направлении вы ни пошли, что бы ни делали, Самолет Вселенной прибудет в новый день точно по расписанию. Вы можете изменить свою скорость движения в пространстве, но никак не во времени.
Но как все это вообще относится к скорости света и тому, почему быстрее нее двигаться нельзя? Уже скоро все поймете. Давайте мысленно (или на бумаге, если хотите) нарисуем еще одну простую ассоциацию – график. Не беспокойтесь, он будет очень простым. Нарисуйте две стандартные оси, где ось X – это скорость движения в пространстве, а Y – во времени.
Теперь поставьте карандаш на пересечении двух осей и проведите линию ровно вертикально вверх (да, ровно по оси Y). Когда остановитесь, нарисуйте стрелочку. Полученный отрезок, а точнее луч, в физике называется 4-вектор или 4-скорость. Он определяет вашу текущую скорость движения в пространстве-времени. Сейчас, пока вы сидите на месте и рисуете этот график, вы движетесь именно так, только во времени, не перемещаясь в пространстве (опустим движение вместе с планетой). Сейчас вы неподвижны, значит относительно оси X ваша координата не меняется, так как ваша скорость в пространстве – 0 км/ч. А относительно Y вы все равно продолжаете двигаться вперед с равномерной скоростью, потому что во времени иначе нельзя. То есть, продолжая в том же духе, то есть ничего не делая, каждый новый час вы будете проходить за час. Логично правда?
Но что если вы начнете двигаться в пространстве? Тогда ваш 4-вектор начнет поворачиваться вправо. Эта стрелка по естественным причинам никогда не повернется вниз и влево от оси Y (потому что отрицательной скорости не бывает), однако она может быстрее или медленнее наклоняться к оси X в зависимости от того, насколько быстро вы движетесь.
Сейчас вы наверняка заметили, что стрелка уже не совпадает с игреком, а смотрит вбок, хотя все еще направлена вверх. Значит ли это, что скорость вашего передвижения во времени изменилась? Специальная теория относительности говорит, что да. Это эффект «замедления времени», который ощущается тем сильнее, чем быстрее вы движетесь. То есть, если вы будете бежать, почти как Флэш, ваш 4-вектор практически ляжет на ось X, замедлив ваше движение во времени чуть ли не до нуля. 4-вектор – индивидуален для каждого, поэтому все остальные вокруг этого не почувствуют. Они лишь увидят, что вы очень и очень быстро перемещаетесь из точки А в точку Б.
Вот теперь пришло время ответить на вопрос, почему «быстрее света» невозможно в принципе. Помните, что чем быстрее вы перемещаетесь, тем больше ваш 4-вектор наклоняется к оси X. Максимальное значение здесь – это скорость света. Когда вы достигнете ее, вектор полностью ляжет пространственную ось и вам покажется, будто время вокруг полностью остановилось. Что же будет, если продолжать наращивать скорость? 4-вектор не может стать больше или меньше, он всегда имеет одинаковый размер, а также он не может повернуться вниз, так движение назад во времени невозможно. Но, если вы продолжите увеличивать скорость и обгоните свет, вектор будет вынужден продолжать поворачиваться и все-таки зайдет за ось X, тем самым устремившись вниз по отношению к Y. То есть, если развить скорость быстрее света, вы начнете двигаться назад во времени, что в принципе невозможно, так как это, неожиданно, противоречит законам физики.
Даже если предположить, что вам удастся пересечь эту границу и двигаться быстрее света, вы все равно не сможете достичь точки Б быстрее него, так как начнете идти назад во времени. В итоге вы и свет прибудете в разные точки Б в разном времени. Ни одно событие во Вселенной не может произойти быстрее, чем движется свет. И это даже не говоря о том, что, опережая свет, вы не будете видеть ничего перед собой и станете практически бесконечно тяжелым. Как думаете, насколько длинным был бы ваш тормозной путь в этом случае?
Естественно, все эти сравнения и ассоциации не претендуют на звание «истинной истины», потому что даже самая ОТО все еще является теорией. Однако в рамках общепринятой школьной физики ваши познания только что стали чуточку больше.
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.