Сколько свет летит до Марса от Земли и Солнца
Сведения о нашем ближайшем космическом окружении становятся общедоступны: рядовые пользователи могут, не выходя из дома, подсчитать расстояния до соседних планет и время пути к ним. Интересуясь вопросом об удалённости Марса от Солнца, стоит ознакомиться с основами измерения космических дистанций.
В чем измеряют расстояние до звезд и что такое световой год
Единицы расстояний в космосе особые, выведенные из международной системы измерения в отдельную графу.
А.е. – это мера расстояния в астрономии, показывающая дальность среднего расположения третьей планеты – Земли – от Солнца.
А.е.– единица измерения расстояний в астрономии, равная 149 597 870 км
Также можно назвать эту единицу радиусом орбиты нашей планеты.
АЕ — это расстояние между центрами, Земли и ее орбиты
В астрономических единицах можно измерять дистанции между объектами внутри одной звёздной системы, подобной Солнечной. Для масштабов Вселенной а.е. – очень малая единица. Поэтому между звёздами и галактиками расстояние выражается в световых годах.
В физике свет долгое время был эталоном самого быстрого явления в мире, но в космических, не объемлемых масштабах даже свет не перемещается мгновенно. По пути из одного уголка Вселенной к другому свет замедляется, рассеивается, меняет свой спектр, встречает материальные препятствия.
Световой год – это звёздное расстояние, которое успевает за один земной год преодолеть свет 9 460 730 472 580 800 м
Дистанция одного светового года равняется произведению скорости света на один земной год. Юлианский год нужно перед умножением перевести в секунды, так как скорость света тоже выражается в секундах.
Юлианский год (a) — единица измерения времени в астрономии равная 365,25 юлианским дням
Опираясь на астрономические единицы можно выполнят более сложные расчеты .
Световая скорость
То, что подразумевается под лучами видимого света, представляет собой поток не атомных частиц фотонов, название которых происходит от греческого термина «фотос» – «свет».
Для землянина один световой год – непреодолимо большое расстояние. Среднестатистический человек своими силами в условиях гравитации Земли может развивать скорость порядка 20 км/ч. Фотоны перемещаются в 60 миллионов раз быстрее и пролетают 300 тысяч километров каждую секунду. Это максимальная скорость, достигаемая видимым светом в вакууме.
Скорость света в вакууме равна 299 792 458 м/с
В сопротивлении воздушной или водной среды, например, в атмосфере или океанах Земли соответственно, свет теряет в скорости не более 25% и преодолевает 225 тыс. км в секунду.
Из этих данных следуют и все прочие расчёты, позволяющие оценить возможность перелётов по Солнечной системе и между звёздами. За одну минуту свет преодолевает 18 миллионов километров космического пространства.
Чем больше человек приблизится к техническому прогрессу, достигающему световую скорость, тем меньшее время нужно будет затрачивать на космические путешествия.
Сколько световых лет до Марса
Как преодолеть огромное расстояние и сколько лететь к Марсу нам давно известно на практических примерах.
Сколько лететь на красную планету астронавтам-землянам – это уравнение с переменным значением, потому что наша планета и Марс постоянно находятся в движении. Каждая планета устремлена по своей орбите вокруг Солнца. Планеты могут приближаться друг к другу или находиться по разные стороны звезды на предельном удалении.
Разумеется, наиболее экономичным для землян решением будет предпринять полёт к Марсу, когда планеты находятся на минимальной дистанции.
Расстояние, которое свет проходит за один год равно 9460,73 миллиардов километров. Минимальное возможное расстояние между Землей и Марсом равно 54,55 млн. км.
0.0000057 световых лет от Земли до Марса
Имея такие данных можно заключить, что минимальное расстояние между двумя планетами – равняется 181 световым секундам, или 3-м световым минутам. Иными словами, между Марсом и Землёй 0.00000570776255707763 световых лет.
Сколько свет летит до Марса
Несмотря на физическую недосягаемость, возможен точный расчёт того, сколько в среднем времени идет от Солнца до Марса звёздный свет.
Полёт до Марса от центральной звезды Солнечной системы может быть совершён фотоном – световой частицей – без учёта препятствий и помех за 12,01 минут. Расчёты получаются из постоянной скорости света в вакууме – 300 тыс. километров в секунду – и средней дистанцией красной планеты от звезды, равной 228 млн. км.
228 000 тыс. км / 300 тыс. км/с = 760 с = 12 минут 1 секунда – время, нужное на перелёт с Солнца на Марс или обратно со скоростью света. Дистанцию когда Марс находится в афелии свет пройдет за 13,01 минут, в перигелии за 11 минуты.
Сколько лететь по времени до Марса со скоростью света
Время гипотетического полёта до Марса просто вычислить на основе вышеизложенных знаний. Имеется точно подсчитанная траектория полёта, возможности и минимальное расстояние от Земли до Марса. Оно составляет свыше 54 млн. км, это 3 минуты для светового потока. Только если перемещаться со скоростью света, лететь до Марса придётся не сколько-то несчётных месяцев, а почти мгновения. Три минуты между Марсом и Землей со световой скоростью трудно сравнить с любым земным транспортом.
Красная планета будет в досягаемости, если человечество достигнет прогресса, позволяющего летать на световой скорости. С текущими темпами развития науки открытие новых футуристических видов транспорта – лишь вопрос времени.
Источник
К посту о скорости света и времени.
Небольшое дополнение к посту: Со скоростью света.
Два пункта, один просто коррекция, второй по важнее.
1) Первое, что меня смутило — это слишком маленькое время прилёта к Марсу:
Кто смотрел передачи о марсаходах, тот знает, что там говорили, что сигнал идёт до Марса гораздо дольше, чем нежели 4,36 минуты. В чем дело?
Расстояние до Марса меняется от 60 млн км (противостояние) до 360 млн км (соединение с Солнцем) В первом случае свет проходит это расстояние за 3,3 минуты, во втором — за 20 минут. То есть — от 3 световых минут до 20.
Почему авторы взяли 4.36 секунд, я не знаю.
Мне, очень кажется, что авторы просто взяли откуда-то информацию: за сколько секунд солнечный свет достигает от Солнца до других планет и вычли из него расстояние до Земли.
То есть, тут указывается расстояние не между планетами, а их орбитами.
С Марсом это совпало. Так, свет Солнца доходит до Земли — 8 минут 19 секунд, до Марса — 12 минут 40 секунд. Вычетам и получаем те 4 минуты 21 секунды или 4.35 минуты.
С Сатурном тоже совпало.
В принципе, это только уточнение и просто в посте не указанно, что расстояние между планетами всё время меняется и время полёта будет варьировать в больших пределах.
И такое путешествие мало когда будет прямолинейным.
2) Второе, о чем я хотел сказать. Всё время, что тут указанно, согласно Общей Теории Относительности, вообще неверно.
Вернее, все указанные временные рамки, будут верны с точки зрения наблюдателя с Земли.
Дело в том, что если вам всё таки удастся вылететь с Земли со скоростью 99,9% от скорости света то время для пилота, который летит с такой скоростью, фактически остановится .
То есть пилот, которого вот так разогнали до скорости света, может легко долететь до Галактики Андромеды, но только нам с Земли придётся ждать этого события:
Такие пироги. Только вот разгонять до око световых скоростей мы можем, пока только, одиночные атомы и то в огромных ускорителях.
Возможно, когда-то мы построим на орбите или на Луне огромные ускоритель, чтобы пулять микроспутниками в ближайшие звёзды, чтобы посмотреть, что там. Хотя даже так, то останется проблема затормозить спутник по прилёту. Но вполне возможно, что мы просто научим их собирать данные на лету и отсылать нам.
Найдены возможные дубликаты
Кроме того, нужно учитывать тот факт, что невозможно разогнать корабль с людьми до такой скорости очень быстро. Так как есть ограничение в перегрузке, которую может выдержать человек. Поэтому разгонять корабль до около световой скорости придется около 6 лет (по данным одного научно-популярного канала). По моим подсчетам вроде и за 1 год можно.
Время полета корабля до галактики Андромеды с околосветой скоростью составит 26 лет для людей на борту корабля. Для людей на Земле пройдет 2,5 млн лет.
О, искал эту инфу, но не нашел, спасибо.
Получается, на разгон, путешествие и торможение уйдет 6+26+6=38 лет.
Если еще будет изобретена технология анабиоза, то для экипажа это будет вообще фигня.
Единственная проблема в компактном источнике энергии.
Наверно, тут понадобится антиматерия.
Увы, уже не могу исправить.
1) Все-таки автор взял 4,36 минуты, а не секунды. К тому же, взята не полная скорость света, а 99,9%. Мне пересчитывать лень, но 4,36 минут в качестве расчетного времени кажется правдоподобным, во всяком случае, оно вписывается между твоими минимумом и максимумом. Тут еще можно учитывать афелии и перигелии обеих планет.
И еще странно, что, говоря о Марсе, ты используешь вырезку информации об Андромеде.
2) Ну да, расчетное время прибытия указано с точки зрения наблюдателя с Земли. Для пилота на Земле пройдет столько же лет плюс еще столько же, плюс время, проведенное в пункте назначения, т.е. когда он вернется из центра Млечного пути, он едва ли сможет общаться с землянами, т.к. его язык сильно устареет. Сам при этом состарится на субъективное время туда плюс субъективное время обратно, плюс объективное время в месте назначения (а может, и субъективное).
Почему картинки поменялись местами, мне тоже не известно. При публикации, всё было ок.
Перепутал секунды с минутами, но поправить уже не могу.
Они не просто поменялись местами – обе картинки про Андромеду.
Это будут наноспутники, и они будут совершать гравитационный манёвр вокруг исследуемых звёзд на околосветовых скоростях, после чего возвращаться обратно.
Я слабо себе представляю, как болванка на около световой скорости будет совершать гравитационный маневр.
Для коррекции орбиты надо тогда будет нести на борту топливо, что крайне не выгодно.
А стрелять спутниками придется фактически в слепую.
Зачем стрелять спутниками в слепую? Чем тебе слепая насолила? :)))))
Маньяк вслепую стрелял в слепую )
Про остановку времени писали в комментариях. Это точно стоило отедельного поста?
Если не загнутся к тому времени.
Альберт Эйнштейн и его уникальное наследие
Четырнадцатого марта 1879 года в городе Ульм родился человек, впоследствии перевернувший научный мир с ног на голову. Его работы лежат в основе понимания Вселенной — в частности, гравитации. В чем же вся гениальность трудов Альберта Эйнштейна и каково их место в XXI веке?
Когда юный Альберт Эйнштейн опубликовал Общую теорию относительности в 1915 году, вряд ли кто-то мог предположить, какое влияние она окажет на науку. Относительность изменила наше понимание Вселенной и предоставила новые способы изучения фундаментальной физики, которым подчиняется окружающий мир.
Несмотря на всю важность принципа относительности, с ней не все так просто, как хотелось бы. И пусть кому-то может показаться, что эта теория слишком абстрактна и оторвана от реальности, на самом деле она напрямую связана с нашим существованием на фундаментальном уровне. Она позволила изучить и исследовать космос, а на Земле она стоит за технологиями, связанными со множеством открытий: от GPS до ядерной энергии, от смартфонов до ускорителей частиц — множество инноваций, которые мы принимаем как должное, уходят корнями в теорию Эйнштейна.
Как работает относительность
Прежде всего стоит отметить, что Общая теория относительности состоит из двух отдельных теорий. Первая — Специальная теория относительности — опубликована в 1905 году и была принята научным сообществом со смешанными чувствами. В чем причина такой реакции? Дело в том, что Специальная теория относительности перевернула большую часть того, что — как казалось ученым — было известно о мире.
Альберт Эйнштейн и Нильс Бор во время Сольвеевского конгресса 1930 года / © Danish Film Institute/Paul Ehrenfest
До публикации Эйнштейном своего научного откровения было принято считать, что время всегда и везде протекает с одинаковой скоростью. Вне зависимости от скорости движения объекта природа секунд, минут и часов считалась неизменной. Однако Эйнштейн считал, что время на самом деле непостоянно и изменяется в зависимости от того, насколько быстро движется объект.
Великий ученый утверждал, что настоящая неизменная величина — константа — это скорость света. Свет движется с постоянной скоростью 299 792 458 метров в секунду в вакууме, тогда как время течет по-разному — в зависимости от скорости, с которой объект движется через пространство. Для объектов, движущихся очень быстро, время замедляется.
Это откровение пошатнуло основы физики, но на этом все не закончилось. Спустя всего десять лет гениальный нонконформист из бернского патентного бюро дополнил теорию новой деталью — на этот раз речь шла о гравитации.
Альберт Эйнштейн во время лекции в Вене, 1921 год / © Ferdinand Schmutzer/Wikimedia Commons
Гравитация как кривизна пространства-времени
Настоящим украшением идей Эйнштейна стала Общая теория относительности. Она отвечала на многовековой вопрос: как именно работает гравитация?
Когда в середине XVII века, как гласит популярная легенда, Исааку Ньютону на голову упало яблоко, родилась революционная теория гравитации. Ньютон определил, что гравитация существует, и постулировал ее воздействие, но не мог наверняка сказать, каковы ее истоки.
Ответ был найден спустя почти три века посредством Общей теории относительности Альберта Эйнштейна. Он считал, что, так как пространство и время «текучи» и изменчивы, их могут искривлять массивные объекты.
Представьте шар для боулинга посередине натянутого батута. Поскольку он тяжелый, то искривляет ткань, стягивая таким образом все объекты, находящиеся у краев батута, к центру. Гравитация работает похожим образом. Массивные объекты вроде Земли искривляют ткань пространства и времени, притягивая к себе материю, а также время и свет.
Три нобелевских лауреата по физике. Слева направо: Альберт Майкельсон, Альберт Эйнштейн, Роберт А. Милликан / © Smithsonian Institution Libraries/Wikimedia Commons
Как и многие другие теории, относительность непросто доказать окончательно. Но все собранные более чем за 100 лет данные указывают на абсолютную правоту Эйнштейна в этом вопросе. Часы, установленные на небоскребах, отмеряют время несколько быстрее, чем часы, установленные у их оснований, так как первые находятся дальше от центра Земли, а значит, и пространство-время на такой высоте искривлено меньше.
Иногда на снимках далекого космоса, таких как Hubble Ultra-Deep Field, можно видеть некоторые объекты, которые выглядят искаженными и увеличенными на фоне галактических скоплений: это феномен гравитационного линзирования. Масса таких объектов искривляет пространство-время, из-за чего изображение получается искаженным.
Однако, пожалуй, самым значимым доказательством Общей теории относительности стало событие, о котором было объявлено в 2016 году — спустя более чем 100 лет после публикации работы. Этим доказательством стали гравитационные волны — рябь на ткани пространства-времени. Они были зарегистрированы посредством детекторов LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория) в Ливингстоне и Хэгнфорде, разработкой которых с 1992 года занимался физик-теоретик Кип Торн.
Если пространство и время — это ткань, напоминающая поверхность батута, то такие масштабные и массивные события, как слияния черных дыр, будут создавать на ней рябь. Если теория Эйнштейна верна, то мы должны быть способны зарегистрировать эти волны, но до недавнего времени это было только теорией без экспериментальных доказательств.
В начале 2016 года ученые объявили, что применили детектор LIGO для регистрации гравитационных волн, точно определив субатомные расширения и сокращения, проходящие через пространство-время.
LIGO напоминает невероятно мощную линейку: он направляет лазерный луч между двумя зеркалами, расположенными в четырех километрах друг от друга, затем пускается лазерный луч и измеряется время, за которое лазер проходит этот путь. Из-за гравитационных волн все смещается, и если лазерный луч перестает двигаться синхронно, то для ученых это знак, что его путь пересекла гравитационная волна и вызвала субатомное смещение зеркала. Регистрацию гравитационных волн можно назвать самым главным преимуществом теории Эйнштейна. Помимо этого, относительность была применена для постулирования Большого взрыва и расширения Вселенной.
Стол Альберта Эйнштейна в его кабинете в Институте перспективных исследований в Принстоне. Именно таким его оставил гениальный ученый перед своей смертью в апреле 1955 года / © Ralph Morse-Time & Life Pictures/Getty Images
Наследие Эйнштейна и будущее науки
Относительность помогла нам предположить, что Вселенная на 95% состоит из темной энергии и темной материи. Эта же теория помогла разработать ускорители частиц, в которых электроны, протоны и другие элементарные частицы разгоняются до скоростей, близких к световой.
Теория относительности сделала для науки и нашего понимания устройства мира неописуемо много. А теперь, когда есть возможность регистрировать гравитационные волны, мы можем заглянуть еще глубже в устройство Вселенной, изучить такие объекты, как черные дыры и нейтронные звезды, опираясь на беспрецедентно точные предсказания теории.
Прошло чуть больше века с тех пор, как относительность Эйнштейна фундаментально перевернула наше понимание Вселенной. Но самое великое наследие ученого заключается не в его революционных теориях: его работа вдохновила тысячи ученых, которые в итоге последовали за ним в поисках истинной природы реальности.
Сегодня теория Эйнштейна регулярно подвергается различным проверкам, которые с достоинством проходит. Благодаря теории относительности и другим работам когда-то скромного работника бернского патентного бюро, у нас есть Стандартная модель, инфляционная модель Вселенной и новые гипотезы, рождающиеся в попытках понять самые глубинные принципы устройства вещей, которые помогли бы в исчерпывающей полноте описать Вселенную и реальность как таковую.
Сверхсветовая скорость возможна для объектов , теория делает звезды ближе
Ученые придумали, как преодолеть скорость света при космических полетах
Примеры топологии солитонных пузырей с космическим кораблем.
Астрофизик из Геттингенского университета Эрик Ленц предложил теоретическое решение для создания так называемых варп-двигателей, разгоняющих космические корабли до скоростей, превышающих скорость света. Такой двигатель, если он будет создан, позволит долететь до ближайшей звезды и вернуться обратно за считанные годы вместо десятков тысяч лет. Статья опубликована в журнале Classical and Quantum Gravity.
Варп-двигатель, или двигатель искривления — вымышленный элемент космических аппаратов, описанный во многих научно-фантастических произведениях. Предполагается, что звездолеты, оснащенные таким двигателем, перемещаются в пространстве со скоростью, превышающей скорость света, и таким образом преодолевают межзвездные расстояния за приемлемое для одного поколения людей время.
Чисто теоретически такое сверхсветовое перемещение возможно, если создать перераспределение темной энергии в охватывающем корабль космическом пространстве, чтобы позади корабля был ее избыток, а спереди — область отрицательной энергии.
Но, во-первых, о темной энергии на сегодняшний день практически ничего не известно, а во-вторых, исходя из общей теории относительности Эйнштейна, перераспределение огромного количества гипотетических частиц материи, обладающей экзотическими свойствами, потребует гигантского количества энергии.
Новое исследование, проведенное в Геттингенском университете, позволяет обойти эти проблемы с помощью нового класса сверхбыстрых устойчивых одиночных волн — солитонов, созданных только за счет источников с положительной энергией. Никаких «экзотических» отрицательных плотностей энергии для этого не требуется.
Автор исследования доктор Эрик Ленц (Erik Lentz) описывает теоретически возможные конфигурации кривизны пространства-времени, организованные в солитоны, или «пузыри искривления» — компактные волны, которые, сохраняя свою форму, могут двигаться с любой скоростью. Помещенный внутрь такого пузыря космический корабль будет перемещаться вместе с самим солитоном.
По расчетам ученого, если бы можно было выработать достаточно энергии, путь до ближайшей звезды Проксима Центавра внутри пузыря искривления занял бы всего четыре года. Для сравнения, при нынешних ракетных технологиях время такого путешествия составит более 50 тысяч лет. При этом все уравнения, использованные автором исследования, основаны на традиционной физике.
Ленц вывел уравнения Эйнштейна — Максвелла для неизученных солитонных конфигураций и обнаружил, что измененная геометрия пространства-времени может быть сформирована таким образом, чтобы работать даже с обычными источниками энергии. По сути, новый метод использует саму структуру пространства и времени, организованную в солитон, чтобы обеспечить решение проблемы сверхсветового путешествия.
Кроме того, солитоны Ленца сконфигурированы так, чтобы минимизировать действие приливных сил, так что течение времени внутри и снаружи пузыря совпадает. Это позволяет избежать так называемого «парадокса близнецов», согласно которому один близнец, путешествующий со скоростью, близкой к скорости света, будет стареть намного медленнее другого, оставшегося на Земле.
«Эта работа переместила проблему путешествий со скоростью, превышающей скорость света, на один шаг из области теоретических исследований фундаментальной физики к инженерным наукам, — приводятся в пресс-релизе Геттингенского университета слова ученого. — Следующим шагом будет выяснение того, как снизить астрономическое количество необходимой энергии до диапазона сегодняшних технологий, таких как ядерная силовая установка, работающая на цепной реакции деления. Тогда можно будет говорить о создании первых прототипов».
В настоящее время количество энергии, требуемой для этого нового типа космической силовой установки, по-прежнему огромно.
солитон: Уединенная волна в лабораторном волновом канале В математике и физике , солитон или уединенная волна представляет собой устойчивый волновой пакет , который сохраняет свою форму в то время как она распространяется с постоянной скоростью, с минимальной потерей энергии. Солитоны возникают из-за отмены нелинейных и дисперсионных эффектов в среде. (Эффекты дисперсии — это свойство некоторых систем, в которых скорость волны зависит от ее частоты.) Солитон — https://ru.qaz.wiki/wiki/Soliton
Солитон не просто волна, а волна сохраняющая компактную форму с малой потерей энергии. Природа солитона связана с граничными условиями, в которых распространяется волна, а не с механикой вихрей в самой волне. Отражение волны от дна и берегов канала при удачном соотношении путей отражённых волн создает возвращение излученной во-вне энергии обратно в волну. Поэтому потери расходуются только на трение (внутреннее и о границы) и солитон имеет большую амплитуду гораздо дольше, чем волна в открытой среде или при неудачной геометрии границ. Солитоны можно получить не только в волновом движении, но и в движении упругих шаров в жёлобе. Например, два шара могут разбегаться, а потом, после отражения от стенок, опять сходиться, и так много раз.
Специальная теория относительности. Часть 3 Лирическое отступление про скорость света
В первой части своего повествования, я упомянул как аксиому тот факт, что скорость света постоянна и не зависит от системы отсчёта, однако, не рассказал, зачем вообще нашей вселенной понадобилось ограничивать максимальную скорость передвижения. Данный пост я хочу посвятить исключительно ответу на вопрос
ЗАЧЕМ ВСЕЛЕННОЙ СКОРОСТЬ СВЕТА И ПОЧЕМУ СВЕТ ЗДЕСЬ НИ ПРИ ЧЁМ?
Имеет ли скорость света какое-либо отношение собственно к свету? Что же делает скорость света такой «специальной», почему мы наблюдаем такой «Вселенский» заговор, препятствующий всем фотонам (да что там фотонам – чему угодно!) перемещаться быстрее, чем предельные 299 тыс. км/с?
Ответ — данное утверждение ложно. Вернее оно перевёрнуто с ног на голову. Вселенная не устроена так, чтобы поддерживать скорость света постоянной, в действительности пространству-времени наплевать на свет, оно и сейчас расширяется быстрее скорости света и при этом ещё и продолжает ускоряться. Вселенское ограничение скорости имеет более глубокие корни.
В предыдущем посте я уже затронул причинность при рассказе о пространственно-временных интервалах. Причинно-следственные связи — это единственное, о чём могут договориться любые наблюдатели, находящиеся в любой системе отсчёта.
Но почему у причинности имеется максимальная скорость? И почему эта скорость случайно совпадает со скоростью света в вакууме?
Давайте разбираться, и начнём мы издалека, с 1632 года, когда Галилео Галилей предстал перед судом Святой Инквизиции за его поддержку в своей книге идей Коперника о гелиоцентрической системе мироустройства. Однако, кроме всего прочего, в своей книге Галилей так же упомянул «принцип относительности», который его словами звучал примерно так:
Галилео заявлял, что не только нет никакого особенного места, но и нет никакой особенной скорости, которая могла бы повлиять на исход «механического эксперимента» в системе, которая движется прямолинейно и без ускорения. Это одно из великих предвидений Галилея было позднее кодифицировано другим гигантом — Исааком Ньютоном в своих «законах».
Перенесёмся на 200 лет позднее для того, чтобы встретить ещё одного героя нашего рассказа – Джеймса Кларка Максвелла, который умудрился вплести эти законы в 4 уравнения, элегантно описывающие весь феномен электромагнетизма.
К концу 19 века у нас были законы Ньютона, уравнения Максвелла, ещё несколько теорий, и общее ощущение того, что физика закончилась и вселенная познана. кроме двух маленьких проблемок — первые намёки на квантовую природу Вселенной и небольшую сумятицу, которые уравнения Максвелла внесли в Галилееву относительность. Вообще, и Ньютонова механика негласно опиралась на предположение, что скорость света бесконечно велика, а если бы это было действительно так, то это повлекло бы весьма серьёзные осложнения, однако, давайте разберёмся с уравнениями Максвелла, вот они:
Эти уравнения настолько значимы, что отлиты в бронзе на его памятнике. Не пугайтесь, примерный смысл этих уравнений выражается следующим образом:
1. Электрический заряд является источником магнитной индукции (теорема Гаусса).
3. Изменение магнитной индукции порождает вихревое электрическое поле (закон индукции Фарадея)
4. Электрический ток и изменение электрической индукции порождают вихревое магнитное поле (закон Ампера — Максвелла).
Тот перевёрнутый треугольник называется «набла» — это просто индикатор особой операции, чуть сложнее, чем операторы + или —.
Но будем проще. Позовём наших друзей, Алису и Бориса, которые путешествуют на железнодорожной платформе. При этом Алиса ещё катается на скейте. и она электрическая, нам ведь нужно что-то электрически-заряженное, чтобы генерировать магнитное поле. Выглядит это как-то так:
Перемещаясь по платформе, Алиса генерирует магнитное поле, и мы, зная уравнения Максвелла, можем посчитать силу данного поля, зная полную скорость Алисы (v1 + v2). Мы так же можем прямо измерить эту силу при помощи физического эксперимента.
Борис — кот учёный и тоже умеет считать. Наблюдая за перемещениями Алисы со скоростью v1 он так же посчитает силу магнитного поля. и что-то не сходится. Очевидно же, что сила магнитного поля, которое генерирует Алиса, одна и та же. Мы измеряем не само поле, а его эффект — силу Лоренца — зависимый от скорости баланс между электрическим и магнитными полями. Оба поля работа работают, чтобы создать эту силу (полная сила электромагнитного поля на движущийся со скоростью v заряд q, в которую вносит свой вклад как электрическое Е, так и магнитное B поля:
Причём, сила эта не зависит от системы отсчёта. Это наводит нас на мысль о том, что электромагнитная сила каким-то образом связывает скорость и пространство-время. Как же нам выявить эту связь? Борису и нам нужна какое-нибудь волшебное преобразование, позволяющее переводить уравнения Максвелла из одной системы отсчёта в другую.
Таким примером могло бы служить Галилеево преобразование, которое просто говорит о том, что скорости складываются, а пространство и время не зависят от скорости. То же самое преобразование использует Ньютоновская механика, и мы только что применили их для преобразования уравнений Максвелла к скорости Алисы.
Но внезапно оказалось, что к уравнениям Максвелла нельзя применить Галилеево преобразование таким образом, чтобы они выдавали непротиворечивые результаты, иными словами они НЕ ИНВАРИАНТНЫ!
Вроде бы они и выдавали правильные значения для низких скоростей, но приводили в полный хаос векторные составляющие полей, а для высоких скоростей эти значения. нет, просто забудьте о высоких скоростях! Физика совсем поломалась!
После преобразований, линии напряжённости магнитного поля будут выглядеть как-то так:
Так что же, Максвелл был неправ? Нет, как выяснилось, неправ был Галилей.
Преобразования, на которых работала Ньютоновская механика, были неправильными. Единственные работающие преобразования, были Лоренцевы (о них я рассказывал в первой части), но до сего момента они были чуть больше, чем некая математическая абстракция для преобразования поворота в четырёхмерном пространстве (к слову, к современному виду их привёл французский математик Анри Пуанкаре за 5 лет до Эйнштейна в 1900 года, который об этой работе не знал и сделал то же самое лишь в 1905).
Лоренцевы преобразования были известны задолго до Эйнштейна. Кому интересно узнать больше, на Википедии есть хорошая статья про то, как их можно вывести самостоятельно в домашних условиях.
Вкратце, история сводится к следующим логическим выкладкам:
Давайте честно признаем, что сложение скоростей (v1 + v2) не работает! Необходимо другое преобразование!
Законы физики работают неизменно, вне зависимости от положения, ориентации или скорости. Нам абсолютно не важно, где находится Алиса, в каком направлении, и с какой скоростью она движется. Это должно быть так — Земля вертится вокруг своей оси, вращается вокруг Солнца, Солнце вращается вокруг центра Млечного пути, наше положение, ориентация и скорость меняются кардинальным образом, в зависимости от нашей точки зрения, но наши физические эксперименты выдают одни и те же результаты, несмотря на это.
Теперь давайте сделаем ещё одно смелое предположение — что Вселенная устроена логично!
Добавим так же требование, что нам постоянно необходимо делать преобразования между разными системами отсчёта туда и обратно и получать непротиворечивые результаты — мы должны иметь возможность пройти путь преобразований при переходе из в системы отсчёта Алисы к системе отсчёта Бориса, затем – в нашу систему отсчёта, откуда мы их наблюдаем, а затем повторить весь путь назад к Алисе и получить те же результаты, с которых мы начали, при этом изменяя лишь один параметр — скорость.
И наконец, добавим ко всему этому щепотку алгебры — получим преобразования Лоренца. Единственное преобразование, которое отвечает всем нашим требованиям!
Эйнштейн заподозрил, что поскольку данные преобразования столь хорошо справляются сзадачей, возможно, они описывают некие фундаментальные законы самой природы пространства-времени, природы нашей реальности.
Однако, в формуле преобразования Лоренца присутствует некая константа c, значение которой нам неизвестно.
Физический смысл этой константы – вселенский скоростной предел. Почему? Потому что без неё константы, преобразования Лоренца бы попросту не работали, данная константа — необходимый элемент формулы преобразования, без которого обойтись невозможно. Преобразования Галилея — это лишь частный случай преобразований Лоренца, гдс c = ∞. И действительно, с точки зрения симметрии и относительности, константа c действительно могла бы быть бесконечной.
При помощи преобразований Лоренца, наконец, позволили получить инвариантные версии уравнений Максвелла (согласованное значение для магнитного поля Алисы, вне зависимости от системы отсчёта: нашей, Бориса, либо её собственной), без них, мы бы не смоли дать описания законам электромагнетизма — это стало ещё одним подтверждением того, что данные преобразования корректно описывают окружающую нас действительность.
Однако, не любое значение константы с нам подойдёт. Данное значение должно быть комбинацией значений фундаментальных констант в уравнениях Максвелла, иными словами, для того, чтобы электрические законы и законы магнетизма работали, нам так же необходимо ограничение — совершенно определённое значение константы c в формуле преобразования Лоренца.
Так что же это за значение? Да можно просто найти его комбинируя результаты физических экспериментов с электромагнитными полями, а затем — применять к этим значениям преобразования Лоренца туда и обратно с разными значениями с. Когда после преобразования из одной системы отсчёта в другую и обратно результаты совпадут с исходными, это и будет требуемым нам значением. Но подождите. ВНЕЗАПНО оказывается, что значение, которое мы нашли, в точности совпадает с измеренной скоростью распространения электромагнитных волн — скоростью света.
Ещё со времён Ньютона мы знаем, что масса обременяет движение, если же у чего-либо отсутствует масса, то нет и никаких препятствий двигаться настолько быстро, насколько это вообще возможно. Фотоны, гравитационные волны, глюоны — всё, что не имеет массы движется в нашей Вселенной с максимально-возможной скоростью. Соответственно, и для передачи информации (взаимодействия) между двумя уголками Вселенной, максимальной скоростью будет являться скорость распространения электромагнитных волн в вакууме.
Иными словами, скорость света, это максимальная скорость распространения причинно-следственных связей — скорость причинности.
Взгляните на рисунок — это трёхмерное представление уже знакомой нам диаграммы Минковского. К нашему настоящему моменту (красная стрелка показывает наблюдателя) из прошлого сужается воронка — наш «световой конус прошлого». На наше текущее настоящее может повлиять только событие, которое попадает в рамки данного конуса — этот конус — наш «горизонт событий». В будущее воронка расходится и включает в себя все события, на которые мы в состоянии повлиять из настоящего момента. Если событие находится за пределами нашего светового конуса, то причинно-следственной связи между такими событиями быть не может.
Интерпретация Эйнштейном ФИЗИЧЕСКОГО СМЫСЛА преобразований Лоренца и дала нам Специальную Теорию Относительности, установив фундаментальную связь между пространством и временем.
Так что бы было, если бы не было этого Вселенского ограничения скорости? Если мы оставим значение c = ∞ (сейчас речь о константе c в преобразованиях, а не о скорости света), то не было бы и массы, так как на создание какой-либо массы потребовалось бы бесконечное количество энергии (E = mc²), во вселенной существовали бы только безмассовые частицы, перемещающиеся на бесконечной скорости.
Существование самого пространства-времени было бы невозможным – с бесконечным замедлением времени и сокращением расстояний до нуля, между событиями отсутствовали бы причинно-следственные связи (вернее, любое бесконечно-удалённое и бесконечно-давнее событие могло бы повлиять на любое событие в бесконечном будущем и наоборот), был бы вселенский хаос — безвременной танец безмассовых частиц в вечном «здесь и сейчас».
Разумеется, мы не могли бы существовать в подобном парадоксе. Для возникновения нашей Вселенной, ей просто необходимо было ограничить максимальную скорость причинно-следственных связей, иначе она попросту не могла бы возникнуть и существовать .
В следующей части мы поговорим об эквивалентности массы и энергии и об истинном смысле формулы E = mc².
Что вы увидите при разгоне до скорости света
Из-за аберрации света и эффекта Доплера картинка так необычно искажается. А из-за замедления времени, которое описывает теория относительности, полет даже к самым далеким звездам может занять всего несколько минут (если вы выдержите такое ускорение, правда:))
Путешествие по Солнечной системе со скоростью света
Что будет с нами на скорости света?
Путешествие со скоростью света окажется самым невероятным переживанием, которое только доступно человеку. Разгоняясь пилот звездолета заметит, как звезды смещаются по небу и собираются впереди по курсу в небольшой области. При этом из-за эффекта Доплера будет расти энергия фотонов.
Как капли все сильнее бьют по стеклу, так свет звезд становится все жестче. Сначала голубым, потом ультрафиолетовым, а при достижении 99% от скорости света — рентгеновским. При еще большей скорости излучение перейдет в гамма-диапазон.
Наше зрительно поле, возможно вместе с головой, во время такого полета искривится
превратившись в туннель. Мы будем лететь по этому туннелю вперед к сияющей белоснежной вспышке не видя следов и оставляя за спиной самую кромешную и самую абсолютную темноту, какую только можно себе представить.
Мы сможем путешествовать за небольшой отрезок времени по планетам и собирать информацию и ресурсы. А теперь реальность. Давайте представим, что был построен космический корабль способный двигаться со скоростью света. Что станет с человечками, которые там окажутся? Даже если бы мы смогли сконструировать прототипы кораблей, выдуманных учеными из НАСА, и способных двигаться с невероятной быстрой скоростью, а также нашли бы нескромный источник энергии, необходимый для того, чтобы запустить их в небеса, наше путешествие оказалось бы вовсе не таким приятным, как может показаться из фантастических фильмов. От возможности летать к соседним звёздам нас отделяют отнюдь не технологии — это лишь вопрос нескольких веков. Проблема заключается в том насколько опасен космос — если он превращается в среду обитания и насколько хрупким, как печенька, на самом деле может оказаться человеческое тело.
Если бы мы стали перемещаться со скоростью света, т.е. 300,000 километров в секунду в межзвездном пространстве, то погибли бы через пару секунд. И поверьте — лучше на это зрелище не смотреть. И вот почему. Несмотря на то, что плотность вещества в космосе очень низкая, на такой скорости даже несколько атомов водорода на кубический сантиметр врежутся в носовую часть корабля с ускорением. Из-за этого мы получим дозу излучения равная 10,000 зиверт/с. Учитывая, что смертельная доза для человека составляет 6 зиверт. Такой радиоактивный луч повредит корабль и уничтожит всех человечков на борту. Согласно исследованиям никакая броня не может уберечь нас от такой ионизирующей радиации. Переборка из алюминия толщиной 10 сантиметров в таком случае поглотит меньше 1% энергии. А ведь размеры переборок невозможно увеличивать бесконечно не рискуя возможностью взлететь.
Однако помимо радиоактивного водорода, нашему космолету на скорости света будет угрожать эрозия, возникающая из-за межзвездной пыли. В лучшем случае нам придется согласиться на 10% от скорости света, что позволит с большим трудом достичь самой близкой звезды — Проксимы Центавра. С учетом расстояния в 4,2 светового года — такой полет займет 40 лет, т.е одну неполную человеческую жизнь.
А, что вы думаете? Какой предельной и безопасной скорости может достичь человек в космосе?
Источник