Почему нельзя превысить скорость света, и почему она именно такая
Эйнштейн однажды назвал скорость света «пределом скорости Вселенной». Он утверждал, что путешествие со скоростью, превышающей световую, нарушит принцип причинности. А это то же самое, что попадание пули в цель до того, как был спущен курок.
Даже ускорение до скорости света нарушило бы определенные фундаментальные энергетические условия. Однако благодаря этому стало бы возможным так называемое «путешествие во времени».
Что такое скорость света
Скорость света (или скорость фотона) в почти идеальном вакууме составляет ровно 299 792 458 м/с. Мы воспринимаем фотоны (свет), движущимися с такой скоростью, потому что они безмассовые или не имеют «веса», хотя и обладают кинетической энергией.
Фотон — частица света, квант электромагнитной (световой) энергии. Фотон является самой распространённой частицей во Вселенной.
Каждая частица в нашей Вселенной (включая фотоны) движется или «плывет» через то, что ученые называют «полем Хиггса». В результате этого взаимодействия частицы приобретают свою массу. Различные частицы взаимодействуют с полем Хиггса с разной силой, поэтому некоторые частицы тяжелее (имеют большую массу), чем другие. Фотоны также проходят сквозь поле Хиггса, но совершенно не взаимодействуют с ним, поэтому не имеют никакой массы.
Поскольку фотоны не взаимодействуют с полем Хиггса, значит их ничего не ограничивает в скорости. Они могут двигаться с максимально возможной скоростью — своей собственной «световой» скоростью.
Почему скорость света не меньше и не превышает 299 792 458 м/с?
Потому, что эта точная скорость является фундаментальной константой нашей Вселенной. Именно такой максимальный показатель скорости был «установлен» после Большого взрыва. Есть и другие константы, благодаря которым Вселенная существует именно в таком виде: гравитационная постоянная, масса покоя протона и электрона, ускорение свободного падения и пр. За каждой константой закреплены определённые цифры, и будь они иными, то мир бы выглядел совсем иначе.
Почему ничего, кроме света, не может набрать такую скорость
Частицам, имеющим массу, требуется энергия для ускорения. Чем ближе к световой скорости приближается частица, тем больше энергии требуется, чтобы перемещаться быстрее. Это связано с тем, что сами частицы становятся более массивными по мере увеличения скорости. Короче говоря, чем быстрее вы движетесь, тем тяжелее становитесь. 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. У света нет массы, поэтому такой проблемы у него не возникает.
Во всей Вселенной не хватит энергии, чтобы разогнать хотя бы один электрон до скорости света.
Как выглядит скорость света для самого света
Один из методов, который Эйнштейн использовал для формулирования своей специальной теории относительности, заключался в мысленной визуализации того, как Вселенная будет выглядеть с точки зрения фотона. Эйнштейн считал, что существование для фотона выглядело бы очень странно. Например, если бы вы были фотоном, время не имело бы для вас значения. Казалось бы, что все происходит мгновенно.
Проведём небольшой мысленный эксперимент. Действующие лица:
- Обычный фотон, зародившийся на поверхности звезды в другой галактике на расстоянии около 4 миллиардов световых лет от Солнечной системы.
- Наблюдатель на Земле, который во что бы то ни стало хочет увидеть свет именно с этим фотоном.
Человеку на Земле придётся ждать ровно 4 миллиарда лет пока фотон долетит до его сетчатки. Для фотона же всё выглядит так: в одно мгновение он был создан, а в следующее он отражается или поглощается поверхностью глазного яблока. Фотон не пережил течения времени — его рождение и смерть произошли мгновенно.
Корабли, разгоняющиеся до скорости света, так и останутся фантастикой
Скорость света можно воспринимать как «бесконечную скорость». Распространенное заблуждение — думать, что световая скорость такая же, как и любая другая конечная скорость. Скорость света конечна только с точки зрения наблюдателя; с точки зрения фотона она бесконечна. Если вы двигаетесь со скоростью, равной скорости света, вы можете отправиться куда угодно ровно за ноль секунд.
Ничто не может двигаться быстрее света, потому что скорость света можно рассматривать как бесконечную. Достичь или превзойти эту константу означало бы движение со скоростью бесконечно км/ч.
Источник
Скорость света — предел? Да, но не для нашей Вселенной!
Радиус только наблюдаемой части Вселенной превышает 45 млрд световых лет. А ведь возраст нашей Вселенной всего 13,8 млрд лет! Получается, что Вселенная расширяется в три раза быстрее скорости света?!
Теория относительности говорит о том, что скорость света – предельная и выше ее ничего быть не может. Получается, что Эйнштейн был не прав?
На самом деле, скорость света является пределом только для объектов: фотонов, электронов и других элементарных частиц. Это максимальная скорость для любых физических взаимодействий.
Физические тела, состоящие из элементарных частиц, также ограничены скорости света. Быстрее всех движется свет в вакууме, его скорость и считается предельной, на уровне 299,8 тыс км/с.
Но пространство – не материя! И на его расширение никаких пределов по скорости не накладывается.
Пространство расширяется неоднородно. Чтобы понять, как это, представьте, как вы надуваете шарик или растягиваете резинку. Разные части резинки и растягиваются по-разному. В самых дальних уголках Вселенной пространство может улетать от нас со скоростью выше 950 тыс км/с.
Потаенные уголки Вселенной
Вселенная продолжает расширяться до сих пор. При этом Вселенная расширяется с ускорением, то есть скорость со временем только растет.
Диаметр всей нашей Вселенной по разным оценкам составляет 150-178 млрд световых лет. То есть наблюдаемая часть Вселенной может составлять всего лишь 25%, остальные 75% абсолютно недоступны для человека. К тому же, пространство расширяется в три раза быстрее скорости света, превращая надежды человека изучить «темную часть Вселенной» практически в ничто.
В наблюдаемой части Вселенной — 500 млрд галактик, представляете, сколько их всего! Сколько многообразных миров получили шанс возникнуть, сколько причудливых видов жизни получило шанс развиться?
По-человечески грустно, когда ты осознаешь, настолько ограничены наши возможности. Что где-то существуют миры, в принципе недостижимые для человечества.
С другой стороны, а кто знает, насколько верна современная наука? Текущие данные, конечно, подтверждают ее выводы. Но ведь когда-то ученые верили в эфир. Еще совсем недавно законы Ньютона считались незыблемыми. А оказалось, что они работают только в ограниченных условиях. В микромире – среди элементарных частиц, и мегамире – галактиках и Вселенной – законы Ньютона уже не могут правильно описать происходящие в них процессы.
Возможно, в будущем люди смогут обойти ограничения, накладываемые современными законами физики. И тогда мы все-таки сможем изучить оставшуюся Вселенную. Хотелось бы верить!
Источник
Как учёные обнаружили, что скорость света — предел?
Перечитал кучу ерунды от предыдущих авторов. Прежде чем отвечать на такие вопросы, нужно хорошо разобраться в СТО (специальная теория относительности) и, во всяком случае, не путать её с ОТО (общая теория относительности). Оба названия неудачные. Принцип относительности есть не только в СТО, но и в классической механике, созданой Ньютоном, причём, этот принцип был сформулирован Галилеем ещё до Ньютона. СТО фактически является новой механикой, согласующейся с электродинамикой Максвелла. Что касается ОТО, то это теория гравитации, уточняющая ньютоновский же закон всемирного тяготения и согласованная с СТО в том смысле, что при отсутствии гравитационного поля ОТО отличается от СТО только математическим аппаратом, который в ОТО гораздо более сложный.
Обычно СТО основывают на двух постулатах. Первый — это принцип относительности, а второй утверждает существование инвариантной скорости (со времён Эйнштейна эта скорость называется «скорость света») и сформулирован самим Эйнштейном так: свет распространяется в «неподвижной» системе координат с определённой скоростью V, не зависящей от движения источника (сейчас скорость света в вакууме обозначается не «V», а «c»). Под «неподвижной» системой координат Эйнштейн подразумевает то, что позже стало называться инерциальной системой отсчёта (ИСО). Кстати, в классической механике инвариантная скорость тоже есть, но она бесконечная.
Как видим, нет ни одного слова про максимальность скорости света.
Из СТО, однако, вытекают следующие ограничения:
1) если частица в какой-то момент движется со скоростью, меньшей скорости света, то она всегда в прошлом, пока существовала, двигалась со скоростью, меньшей скорости света, и всегда в будущем, пока будет существовать, будет двигаться со скоростью, меньшей скорости света;
2) если частица в какой-то момент движется со скоростью света, то она всегда в прошлом, пока существовала, двигалась со скоростью света, и всегда в будущем, пока будет существовать, будет двигаться со скоростью света;
3) если частица в какой-то момент движется со скоростью, большей скорости света, то она всегда в прошлом, пока существовала, двигалась со скоростью, большей скорости света, и всегда в будущем, пока будет существовать, будет двигаться со скоростью, большей скорости света.
Таким образом, мы не можем ничего разогнать до сверхсветовой скорости, но, в принципе, сверхсветовая частица может родиться при столкновении обычных частиц.
Гипотетические частицы, движущиеся быстрее света, были названы тахионами. Их тщательно исследовали как в рамках СТО, так и в рамках квантовой теории. Насколько мне известно, существование тахионов противоречит квантовой теории, но здесь я не специалист. СТО самой по себе существование тахионов не проиворечит. Однако принцип причинности, понимаемый как невозможность послать самому себе сигнал в прошлое, запрещает существование тахионов: в СТО, располагая источником тахионов, можно отправить сигнал самому себе в прошлое, хотя посылка такого сигнала в прошлое на сколько-нибудь значительное время требует использования ретранслятора тахионного сигнала, движущегося от Земли с околосветовой скоростью далеко в космосе (скорее всего, можно было бы придумать конструкцию, обходящую это препятствие).
Тахионы также искали в специальных экспериментах, но обнаружить их не удалось. Так что отсутствие частиц и тел, движущихся со сверхсветовой скоростью, на настоящее время можно считать экспериментальным фактом. Со словом «доказано» нужно быть осторожным: остутсвие тахионов не доказано и никогда не будет доказано. Точно так же ни одна физическая теория не доказана и никогда не будет доказана. Что касается СТО и ОТО, то они, конечно, не доказаны, но подтверждаются (проверены) очень большим количеством экспериментов. Ссылки: СТО и ОТО.
То, что обычно пишут про то, как выглядит окружающий мир при движении с околосветовой скоростью, — полная ерунда. Никакие «шарики» не сплющиваются. Тела сокращались бы, если бы мы могли их видеть с помощью сигналов, распространяющихся с бесконечной скоростью. А так как мы их видим с помощью того же света, распространяющегося с конечной скоростью, мы видим их с запаздыванием, в других цветах (эффект Доплера) и не сократившимися, а повёрнутыми. Существует забавная игра, показывающая, как это выглядит. В игре происходит уменьшение скорости света по мере накопления призов. После скачивания нужно просто распаковать архив, и сразу можно играть. Обзор игры. Правда, автор видеоролика плохо переводит с английского.
Источник
Почему скорость света нельзя превысить?
Потому что это физическая константа, существующая независимо от нашего знания и понимания. Но такой простой ответ не устраивает, слишком уж он напоминает банальное «на всё воля божья». Любопытство терзает людей и приводит, зачастую, к парадоксальным выводам. Яркий пример такого заключения — специальная теория относительности, разработанная Альбертом Эйнштейном. То, что она предсказывает, противоречит интуиции, но ведь и Земля — шар, а мы видим ее сравнительно плоской.
Необходимо разобраться откуда вообще возник этот вопрос и почему правильный ответ настолько важен. Ведь его истинность вызывает непрерывные страстные дискуссии, несмотря на имеющиеся экспериментальные подтверждения. Ответ требует предисловия.
История проблемы
До середины 19 века в физике господствовала теория светоносного эфира, сформулированная Рене Декартом и подтвержденная Максвеллом в рамках его электромагнитной теории. Были и другие гипотезы эфира, но все они так или иначе описывали трехмерное пространство, заполненное некоей субстанцией, переносящей свет и прочие электромагнитные волны. Их поведение пытались объяснить законами Ньютона, а при изменении системы координат применяли преобразования Галилея.
Предполагалось, что скорость света подчиняется тем же правилам, хотя и очень велика. Все изменила в 1881 году попытка Майкельсоном и Морли ее измерить. Выяснилось, что скорость света не зависит от направления движения Земли. Этот результат подрывал теорию эфира в корне, и экспериментаторы сделали вывод о ее несостоятельности.
Им не поверили и повторили опыт много раз, уточняя полученные данные. В 1964 году для этого использовали в качестве источников света гелий-неоновые лазеры, затем оптические криогенные резонаторы с точностью измерения 1- в -16 степени. Результат снова подтвердил постоянство скорости света при любых внешних воздействиях. Так что Нобелевскую премию по физике 1907 года Майкельсон получил вполне заслуженно.
Преобразования Лоренца
Выдающийся нидерландский физик Хендрик Антон Лоренц много лет занимался теорией эфира и в ходе исследований пришел к необходимости введения понятия «местного времени» для системы, движущейся в неподвижном эфире. Он сам считал выведенную формулу промежуточной, но получил новые уравнения для преобразования скоростей, отличную от галилеевской.
Предполагалось, что эта теория относится только к электромагнитным волнам. Лоренц так и не решился сделать последний шаг и распространить свои постулаты на объекты, имеющий массу. Несмотря на это он получил в 1902 году Нобелевскую премию по физике.
Специальная теория относительности
Итак, доказано, что что свет распространяется в вакууме со скоростью 299 792 458 м/с и она не зависит от скорости движения источника или системы отсчета. Альберт Эйнштейн в 1905 году сделал эту инвариантность одним из постулатов своей теории, исключив из нее светоносный эфир. Что повлекло за собой революционные последствия.
Постулирована эквивалентность массы и энергии
Эту формулу знают даже самые далекие от физики люди. Но она верна только при скоростях значительно ниже световой. Как только скорость объекта становится соизмерима с ней, то вступает в свои права так называемый Лоренц-фактор ƴ.
Где v – скорость объекта, с – скорость света. При низких скоростях, с которыми имеет дело ньютоновская механика, коэффициент приближается к 1 настолько, что им можно пренебречь без потери точности. Но с приближением V к C его значение растет по экспоненте, что наглядно демонстрирует график, приведенный ниже.
Теперь формула выглядит так:
Мы видим, что для достижения скорости света материальным телом, имеющим инертную массу, потребуется бесконечное количество энергии. В этом и кроется причина того, что скорость света нельзя превысить.
Даже ученым, работающим на Большом адронном коллайдере ЦЕРНа, не удалось разогнать протоны до световой скорости, хотя и подошли к ней вплотную. Результатом стало открытие «частицы бога», бозона Хиггса, отвечающего за наличие массы тел.
Источник