Что такое световой год?
Астрономия, как и любая наука, имеет свою терминологию, которая кажется странной и непонятной для человека мало с ней знакомого. Что такое элонгация? А перигей? Пульсары и квазары — это одно и то же или нет? Один из вопросов, который очень часто задают заинтересовавшиеся астрономией люди, звучит так: что такое световой год?
В этом термине вроде оба слова понятны, а вместе создают путаницу. «Световой год» — это мера чего? Времени? Тогда неплохо бы узнать, сколько длится световой год? Другими словами, световой год это сколько наших обычных земных лет? С другой стороны, многие замечали, что термин этот применяется, когда речь идет о расстояниях до космических объектов. Например, «до центра Галактики — 30000 световых лет», или «до Сириуса — 8,6 световых лет». Встает вопрос, как можно расстояние измерять временем?
Попробуем ответить максимально просто.
Световой год — это мера расстояния
Первое, что нужно четко уяснить, — световой год это не мера времени, а мера расстояния в астрономии, такая же как метр или километр, миля или аршин в обычной жизни. Чтобы понять это, вспомните, как можно измерить расстояние, если нельзя это сделать напрямую, с помощью линейки или землемерного циркуля?
Как известно, расстояние, пройденное телом, равно скорости движения тела, умноженное на время движения (или s = v × t).
Теперь представьте, что вы пошли в магазин, до которого ровно три километра. И вы пошли со скоростью ровно 3 км/ч. Вопрос: за какое время вы дойдете до магазина? Очевидно, ровно за час! Поэтому можно сказать, что расстояние до магазина равно 3 км, а можно сказать, что оно равно 1 «человеческий час».
Но в «человеческих часах» расстояние никто не измеряет, потому что все мы ходим с разной скоростью. И даже один человек ходит по-разному: опаздывая на троллейбус, он почти бежит, а в парке неторопливо прогуливается. Значит, и время t, чтобы преодолеть расстояние до магазина, всегда будет разным.
Но что, если скорость движущегося тела будет всегда постоянна? Вне зависимости, куда, в каком направлении оно идет и при каких обстоятельствах проводятся измерения? Тогда, конечно, расстояние можно было бы измерять при помощи времени его перемещения, ведь в таком случае v в формуле постоянно и s зависит только от t.
Подождите, скажете вы, а разве есть такой объект, который движется всегда — всегда! — с постоянной скоростью?
Скорость света
Такой объект есть, и это свет! Как известно, скорость света в вакууме постоянна и равна 299 тысяч 792 километра и 458 метров в секунду или, округляя, 300000 км/с.
То есть за 1 секунду луч света проходит 300000 километров! Неплохо, правда? Если научиться каким-то образом измерять точное время, за которое свет преодолевает расстояние до объекта, то мы узнаем и расстояние до него!
Как это сделать? Ну, например, мы можем взять мощный лазер и посветить им в сторону Луны. Лазерный луч долетит до Луны, часть света отразится от ее поверхности и полетит в обратном направлении. В момент, когда он вернется на Землю и попадет в наши глаза, мы увидим на Луне световой зайчик. Если мы точно измерим промежуток времени между включением лазера и появлением на поверхности Луны зайчика, и умножим это время на скорость света, то мы узнаем расстояние, которое прошел лазер до Луны и обратно. Разделим это расстояние пополам и узнаем расстояние до Луны!
Лазерный луч, создающий в небе искусственную звезду для оценки состояния атмосферы. Скорость света этого луча постоянна! Но в атмосфере она несколько меньше, чем в вакууме. Фото: ESO
Примерно так астрономы в XX веке измерили многие расстояния в Солнечной системе. Например, они провели радиолокацию Венеры — послали в сторону планеты радиосигнал и дождались его возвращения назад. Радиоволны движутся со скоростью света, время возвращения ученые измерили очень тщательно и затем по формуле s = v × t посчитали расстояние между Землей и планетой Венера. Теперь мы знаем его с точностью в несколько метров.
Еще раз: почему вообще расстояние можно измерять при помощи света? Потому что скорость света в вакууме постоянна! (Тут надо бы добавить, в инерциальных системах отсчета, но не будем пока усложнять.) В отличие от скорости людей, автомобилей и ракет.
Чему равен 1 световой год?
Теперь вернемся к тому, с чего начали. Дадим определение: световой год — это расстояние, которое свет (двигаясь всегда — всегда! — с постоянной скоростью 300000 км/с) проходит ровно за один год!
Получается какое-то очень большое число, не правда ли? Если за секунду свет преодолевает 300 тысяч километров, то за минуту в 60 раз больше — 18 миллионов километров. Значит, за час он пройдет 1 миллиард 80 миллионов километров! (Вот мы и узнали, чему равен «световой час»! А заодно подсчитали скорость света в км/ч!)
1 световой год в километрах
Теперь, чтобы подсчитать, сколько километров в световом году, нам надо узнать, сколько в году часов. В сутках 24 часа, а в году 365,25 суток (каждый четвертый год — високосный). Следовательно, в году 24 × 365,25 = 8766 часов. (На самом деле чуть меньше, 8760 часов. Просто мы взяли грубое число суток в году.)
Итак, чтобы найти, чему равен 1 световой год в километрах, нам надо скорость света в км/ч умножить на количество часов в году. Получается 9461 миллиард километров. Итак, 1 световой год равен 9,46 триллионов километров!
Какое-то сумасшедшее число!
Если бы магазин находился на таком расстоянии от вашего дома, то, двигаясь с привычной скоростью 3 км/ч, вы шли бы до него 360 миллионов лет… Долго получается, не правда ли?
Лучше поехать на машине. Двигаясь со скоростью 100 км/ч, автомобиль преодолеет расстояние в световой год за 10 миллионов 800 тысяч лет. Тоже не вариант. Значит, нужен самолет! Обычный пассажирский самолет пролетит световой год «всего лишь» за 1 миллион лет.
Может быть, поможет ракета? Космонавты летают вокруг Земли со скоростью около 8 км/с или 28800 км/ч. Даже с такой скоростью им потребуется 37500 лет, чтобы добраться до магазина.
Сколько световых лет от Солнца до Земли?
Теперь давайте решим обратную задачу — посчитаем расстояние от Солнца до Земли в световых годах. Для этого расстояние от Солнца до Земли в километрах разделим на длину светового года. Среднее расстояние до Солнца (она же астрономическая единица) равно 150 миллиона км, световой год равен 9,46 триллиона км. Делим первой на второе, получаем 0,000016.
Итак, расстояние от Солнца до Земли равно 0,000016 световых лет. Или… 8 световых минут.
Сколько световых лет от Земли до Луны?
Луна находится гораздо ближе Солнца, среднее расстояние до нашего спутника 384000 км или чуть больше световой секунды. Сколько это в световых годах? Делим 384 тысячи км на длину светового года в км (все те же 9,46 триллиона км) и получаем число 0,000000041 световых лет. (Я мог ошибиться, пересчитайте, если не верите.)
Ясно, что расстояние до Луны измерять в световых годах глупо. Но тогда встает вопрос:
Зачем нужны световые годы?
Ответ прост: чтобы измерять расстояния за пределами Солнечной системы!
- Ближайшая звезда к Солнцу, Про́ксима Центавра находится на расстоянии 4,2 световых года. То есть свету нужно путешествовать 4,2 года, чтобы преодолеть расстояние от Солнца до Проксимы.
- Большинство звезд, которые мы видим на небе ясной ночью, находятся от нас на расстоянии в десятки и сотни световых лет!
- Звезда Денеб в Летнем треугольнике находится от нас на расстоянии 2500 световых лет.
- До центра нашей галактики (она называется Млечный Путь) — 30000 световых лет.
- Диаметр Млечного Пути — 100000 световых лет.
- До ближайшей крупной спиральной галактики, Туманности Андромеды — 2,5 миллиона световых лет.
- От Земли до центра крупного скопления галактик в созвездии Девы — 65 миллионов световых лет.
- До ближайших квазаров — 3 миллиарда световых лет.
- Наконец, до края наблюдаемой Вселенной — почти 14 миллиардов световых лет.
Попробуйте-ка пересчитать эти расстояния на километры! Не хочется? Вот и астрономы не хотят считать.
PS. Что и говорить, на машине такие пространства не объедешь…
Источник
Сколько времени нужно Солнечному свету, чтобы достичь поверхность Земли
Расстояние от Земли до Солнца составляет примерно 150 млн км. Скорость света в вакууме равна 300 тыс. км/с. Поделив одно на другое, мы получим 500 секунд или 8 минут и 20 секунд . То есть, если Солнце каким-то образом исчезнет посреди дня, то мы узнаем об этом только спустя те самые 500 секунд.
Однако, природа света, в частности Солнечного, куда интереснее, чем можно подумать. Фотоны — частицы света, производятся в термоядерных реакциях в Солнечном ядре. Образованные в ядре фотоны отскакивают от частиц Солнца несчетное количество раз прежде чем достигнут поверхности. Вполне возможно, что фотоны Солнца достигшие Земли были образованы десятки тысяч лет назад, то есть им потребовалось настолько много времени, чтобы покинуть пределы Солнца.
Когда мы смотрим в космос, то на самом деле мы смотрим в прошлое. Свет отраженный Луной достигает Землю за одну секунду . Когда мы смотрим на Солнце, естественно через темное стекло, то мы смотрим на 500 секунд в прошлое. Когда мы разглядываем на ночном небе ближайшую к нам звезду Альфу Центавру, то мы видим свет более чем 4-х летней давности.
Галактики же располагаются в миллионах и миллиардах световых лет от нас. Допустим, если инопланетяне из других галактик имеют достаточно сильные телескопы, то посмотрев на Землю они могут увидеть там динозавров, а если смотреть из более далеких галактик, то возможно видят лишь газопылевой диск вращающийся вокруг молодого Солнца из которого впоследствии и образуется наша планета.
Делитесь этой статьей в своих социальных сетях, а также не забывайте поставить палец вверх, подписаться на наш канал и оставить комментарий, если вам понравилась данная публикация!
Канал не позиционирует себя, как источник стопроцентно правдивой информации, а лишь претендует быть таковым.
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