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
Космический предел скорости
Если вы стреляный воробей, то вы знаете, что скорость света в вакууме – 299 792 458 метров в секунду — это абсолютный максимум скорости передвижения для любой формы энергии во Вселенной. В сокращении эта скорость известна физикам как с.
Но вы, независимо от ваших стараний, никогда не достигнете такой скорости. А причина проста: вы обладаем массой. И объект, обладающий массой, можно разгонять сколько угодно, но понадобится бесконечное количество энергии, чтобы достигнуть с, а количество энергии во Вселенной конечно.
Но это не значит, что вы согласитесь на 90% от с, или 99%, или 99.9999%. Вы всегда стремитесь к этой дополнительной доле скорости, этой дополнительной части энергии, к этому дополнительному толчку, приближающему нас к недостижимому пределу. Вы, возможно, хорошо знаете о попытке сделать это в CERN’e, где недавно нашли бозон Хиггса. Сталкивая два протона друг с другом, один из которых движется со скоростью 299 792 447 метров в секунду (всего на 11 м/с меньше скорости света) в одном направлении, а другой с той же скоростью — в противоположном, можно получить невероятно высокоэнергетические частицы, ограниченные только энергией, доступной согласно Эйнштейновскому E=mc^2.
По завершении модернизации БАКа, эта скорость возрастет до 299 792 455 м/с, что сделает разгоняемые протоны самыми быстрыми на Земле. Но вряд ли они являются самыми быстрыми частицами.
Кроме того, протон является относительно тяжелой частицей, приблизительно в 1836 раз тяжелее, чем летающий вокруг него его друг — электрон! И, хоть мы и создали протоны с большей энергией, нежели электроны, она занимает всего одну 1836-ю энергии (или 0,054%), которая потребуется, чтобы разогнать электрон до такой же скорости. Это значит, что БЭП — большой электронно-позитронный коллайдер (предшественник БАК) — где смогли достичь энергии в 104,5 ГэВ для электрона (для сравнения, после модернизации БАКа ожидается энергия в 6500 ГэВ), до сих пор держит рекорд по ускорению частиц.
Какова эта скорость? 299 792 457,9964 метра в секунду, или огромные 99,9999999988% скорости света, всего лишь на 3.6 миллиметра в секунду меньше скорости света в вакууме! Но это только здесь, на Земле, с хромыми сверхпроводящими электромагнитными ускорителями, питающимися от слабых химических источников энергии. По сравнению с тем, что приходит из Вселенной, земные источники не имеют никаких шансов.
Космическое пространство заполнено сколлапсировавшими звездами, сверхновыми звездами и сверхмассивными черными дырами, включая те, что находятся в центрах активных галактик, где магнитные поля в миллиарды раз отличаются от свойственных Земле. Со всех направлений пространства космические лучи — высокоэнергетические частицы, преимущественно протоны — летят сквозь Вселенную на энергиях настолько высоких, что все, чего человек достигал здесь, на Земле, кажется ничтожным.
Да, по мере перехода к все более и более высоким энергиям, частицы становятся все мельче, однако высочайшие энергии уже не измеряются в порядках ГэВ (Гигаэлектронвольт или 10^9 эВ), ТэВ (Тераэлектронвольт или 10^12 эВ) или даже ПэВ (Петаэлектронвольт или 10^15 эВ). Вместо этого, эти энергии могут достигать диапазона 10^19 эВ! И эти значения уже действительно очень интересны! Потому что в районе 4-5х10^19 эВ Вселенная уже не позволит вам оставаться на этой энергии! Хотите — верьте, хотите — нет, но проблема в том, что независимо от того, насколько высока энергия частицы, ей придется пройти через радиационную ванну, оставшуюся от Большого Взрыва, чтобы попасть к вам.
Это излучение невероятно холодное, при средней температуре около 2,725 градусов Кельвина, или менее трех градусов выше абсолютного нуля. Если попытаться вычислить среднеквадратичное значение энергии каждого фотона там, это будет порядка всего 0,00023 электрон-вольт, очень маленькое число. Каждый раз, когда высокоэнергетическая заряженная частица имеет возможность взаимодействовать с фотоном, она обладает такой же возможностью, как и все взаимодействующие частицы: если это энергетически разрешено по E=mc^2, то есть шанс образования новой частицы! И эта частица не получает энергию из ниоткуда, а берёт её из системы, создавшей ее!
Легчайшая частица, которую можно создать столкновением — это нейтральный пион, для образования которой понадобится 135 МэВ энергии. Для этого есть предел, который относительно легко можно вычислить, и это говорит о том, что чем дольше ваше значение энергии будет превышать определенный энергетический предел (известный как предел ГЗК, названный в честь Грайзена-Зацепина-и-Кузьмина). тем дольше вы будете испускать эти пионы, пока значение энергии не станет ниже этого энергетического предела.
В течение долгого времени, вплоть до последних нескольких лет, казалось, что это частицы, превысившие предел, что означало либо то, что они были образованы в пределах Галактики, поскольку это был единственный вариант, позволявший им добраться до Земли, было что-то не так с нашим пониманием относительности (большая вероятность), или, как предполагало множество людей, были проблемы с измерением таких беспрецедентно высоких энергий.
И вот, сейчас, самая современная обсерватория и эксперимент — Pierre Auger Observatory и High-Resolution Fly’s Eye Experiment — четко знают пределы ГЗК и не видят космических лучей с энергией, превышающей 5х10^19 эВ. Что же касается протона, путешествующего с такой энергией, знаете ли вы, что это будет за скорость? Это говорит нам о том, что протон, путешествующий на ГЗК-пределе, имеет скорость: 299 792 457,999999999999918 метров в секунду.
Или, предположим, вы отправили протон с такой энергией и фотон к ближайшей звезде и обратно, фотон вернется первым… Обогнав всего на 22 микрона протон, который прилетит на 700 фемтосекунд позже. И каждая заряженная частица в космосе — каждый космический луч, каждый протон, каждое атомное ядро — ограничено этой скоростью! Не просто скоростью света, а на маленькую долю меньше, благодаря остаточным отблескам Большого Взрыва!
Поэтому, когда вы мечтаете о путешествиях по Вселенной со скоростью близкой к скорости света, радиация от Большого взрыва — такая низкоэнергетическая в микроволнах (как в микроволновых печах) — поджарит вас до хрустящей корочки, если вы будете двигаться слишком быстро. И это и есть предел космической скорости для вас, и всего остального, сделанного из материи!
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
Ученые определили верхний предел скорости звука во Вселенной
Специальная теория относительности Эйнштейна (СТО) устанавливает абсолютный предел скорости, с которой может двигаться волна – скорость света в вакууме составляет примерно 300 000 км в секунду. Однако до сих пор не было известно, имеют ли звуковые волны верхний предел скорости при прохождении через твердые тела или жидкости. Недавно британским и российским ученым удалось выяснить, как определить верхний предел скорости звуковых волн, зависящих от центральных констант – общих параметров, с помощью которых мы постигаем таинственную физику нашей Вселенной. Это ограничение скорости, как показали результаты исследования, опубликованного в журнале Science Improvements, составляет 36 километров в секунду, что примерно вдвое больше скорости звука, проходящего через самый твердый драгоценный материал на Земле – алмаз.
Скорость звука – скорость распространения в среде упругих волн.
Как распространяются световые и звуковые волны?
Итак, верхний предел скорости звука, согласно новым расчетам, составляет 36 километров в секунду, что примерно в два раза превышает скорость передачи звука через алмаз. Звук и свет путешествуют как волны, но ведут себя немного по-разному. Так, скорость звука определяется упругостью и плотностью среды, в газах и жидкостях она меньше, в твердых телах — больше. А вот в вакууме звуковые волны распространяться не могут, так как там нечему колебаться.
Видимый свет – это разновидность электромагнитного излучения, названного так главным образом потому, что световые волны состоят из колеблющихся электрических и магнитных полей. Эти поля генерируют самоподдерживающуюся электромагнитную волну, которая может перемещаться в вакууме – и ее основная скорость составляет около трехсот тысяч километров в секунду. А вот путешествие через среду, такую как вода или атмосфера, замедляет ее.
Представьте себе механическую волну, которая вызвана вибрацией в среде. Когда волна проходит через среду, молекулы этой среды сталкиваются друг с другом, передавая энергию по ходу движения. Следовательно, чем жестче среда и чем сложнее ее сжать – тем быстрее распространяется звук. В жестком надежном материале, как алмаз, звук может путешествовать еще быстрее.
Если приложить ухо к рельсам, вы услышите звук приближающегося поезда быстрее, чем по воздуху.
В жидкостях, в том числе в воде, звук мчится в 4 с лишним раза быстрее, чем в воздухе.
Авторы нового исследования отмечают, что сейсмологи, например, используют звуковые волны, вызванные землетрясениями глубоко в недрах земли, чтобы понять характер сейсмических событий и внутреннее строение земли. Они также представляют интерес для материаловедов, потому что определяют упругие свойства материалов, их способность противостоять нагрузкам. Все вышеперечисленное означает, что существует определенная проблема с тем, чтобы установить ограничение скорости звука во Вселенной. Так как же исследователям это удалось?
Чтобы всегда быть в курсе последних новостей из мира науки и высоких технологий, подписывайтесь на наш новостной канал в Telegram.
Ограничение скорости звука
Чтобы оценить ограничение скорости звука, группа исследователей из Лондонского университета Королевы Марии, Кембриджского университета и Института физики высоких давлений в Троицке обнаружила, что ограничение скорости звука зависит от двух фундаментальных констант: постоянной тонкой структуры (фундаментальной физической постоянной, характеризующей силу электромагнитного взаимодействия) и отношения масс протона и электрона (одна из важных физических констант, известна с большой точностью — 1836,152672.).
Точно настроенные значения постоянной тонкой структуры и отношения массы протона к массе электрона, а также равновесие между ними управляют ядерными реакциями такого типа, как распад протонов и ядерный синтез в звездах. Баланс между этими двумя величинами задает узкий коридор «зоны обитаемости» или «зоны Златовласки» – условной зоны в космосе с наиболее благоприятными условиями для жизни, – пишут авторы научной работы.
Авторы исследования надеются, что полученные результаты будут иметь дальнейшее научное применение.
Исследователи предположили, что темп звука уменьшается с увеличением массы атома. Проверив это предположение на широком спектре разнообразных материалов, ученые пришли к выводу о том, что звук должен передаваться быстрее всего через твердый атомарный водород, который может существовать только при очень высоком давлении, например, в ядрах газовых гигантов, таких как Юпитер и Сатурн (давление на самых больших планетах Солнечной системы превышает один миллион атмосфер). Находясь в твердом состоянии атомарный водород представляет собой металл со сверхпроводниковыми свойствами. После проведения сложных квантово-механических расчетов исследователи определили что в твердом атомарном водороде скорость звука ближе всего к теоретическому пределу.
Издание Science Alert приводит слова одного из авторов исследования физика Константин Траченко (Kostya Trachenko) из Лондонского университета Королевы Марии:
Мы надеемся, что результаты научной работы получат дальнейшее применение в науке, что поможет исследователям найти и понять предельные значения различных свойств, например вязкость и теплопроводность, которые относятся к высокотемпературной сверхпроводимости, кварк-глюонной плазме и физике черных дыр.
Источник