Если представить, что человечество построит корабль, способный разогнаться до скорости света с космонавтом на борту, то какие явления будут с ним происходить?
Общие сведения
Впервые о скорости света высказался физик-теоретик Альберт Эйнштейн в 1905 году, показав всем известную на сегодняшний день формулу:
E = m*c ²
Формула указывает на взаимосвязь между полной энергией тела (E) и его массой (m). Причём скорость света (с) – есть величина постоянная, приблизительно 300 000 км/с.
Явления при скорости света
Если представить, что человечеству удалось создать уникальный корабль, который сможет увеличить скорость равную световой, посадить в него космонавта испытателя, то произойдут с ним как минимум 4 случая.
1. Время остановится
Мы живём в четырёхмерном измерении (пространство-время). Кроме трёх направлений есть ещё четвёртое – время. Даже если человек будет просто валяться на кровати, он всё равно будет перемещаться во времени вперёд.
2. Увеличение массы тела
В Большом Адронном Коллайдере был проведён эксперимент с ускорением электрона (отрицательно заряженная частица). Масса электрона в состоянии покоя ничтожно мала 9.1 х 10⁻³¹ кг. Электрон уже разогнали до 250 000 км/с. Масса электрона увеличилась до 2 кг. Чем ближе объект к скорости света, тем сильнее увеличивается его масса.
Если взять обычного человека с массой тела 80 кг, то при скорости 250 000 км/c его масса станет 80 нониллион кг (10 *30). При световой скорости масса его тела будет безгранично увеличиваться вместе с кораблём.
Свет представляет собой направленные частицы фотонов. В состоянии покоя фотоны не имеют массу. Если бы у них была какая-нибудь масса, то тогда свет разрушал бы абсолютно всё на своём пути.
3. Сокращение размеров тела
Хоть первые 2 фактора теоретически не являются смертельными, то здесь смерти космонавту никак не избежать. При приближении к световой скорости, длина человека с кораблём начнёт резко уменьшаться до размеров атомов. Здесь уже человеку не удастся выйти сухим из воды.
4. Смертельная радиация
Космос не является полностью вакуумным. На 90% состоит из атомов водорода, остальные 10% -- атомы гелия (речь идёт о четырёхпроцентной составляющей Космоса, которая понятна человеку: вещества из атомов, остальные 96%, непознанное: тёмная материя, тёмная энергия -- прим. автора).
В Космосе космический корабль сталкивается с небольшим количеством атомов водорода, столкновения никак неощутимы. Приближаясь к световой скорости, атомы начнут прожигать корабль и космонавта насквозь. Смертельная доза радиации для человека 6 - 8 Зиверт.
При световой скорости доза превысит в 2000 раз. Человек не проживёт и двух секунд. Никакой защиты на сегодняшний день не существует, если только прицепить алюминиевую броню к космическому кораблю толщиной несколько сотен метров, что неактуально.
Заключение
Движение на световой скорости пока только возможно в фантастических романах. В начале 20-го века никто бы не поверил, что человек уже через несколько десятков лет побывает в Космосе. Прогресс очевиден.
В начале 21-го учёные научились разгонять отдельные частицы (протоны) до практически световой скорости (на 3 м/с медленнее) с помощью Большого Адронного Коллайдера. Как знать, возможно через тысячу лет человечество покорит скорость света.
Что увидит человек, летящий со скоростью света
Научные достижения все чаще поражают воображение. Еще в прошлом столетии человек приблизился к космосу и смог полететь на Луну. Остальные же планеты и объекты Солнечной системы пока недоступны для космонавтов.
Основной преградой для таких путешествий является недостаток скорости передвижения космических кораблей. Почему астронавты до сих пор не летают со скоростью света? И что бы увидел человек, набравший такую скорость в космосе?
Бесконечность – все-таки предел?
Как известно, скорость света в вакууме примерно равна 300,000 км/с. Согласно Теории Относительности, данная величина является постоянной. Быстрее этой скорости не может двигаться ни один объект во Вселенной.
Пока что человек достиг только отметки 40000 км/час. Данная скорость была зарегистрирована в 1969 году. Тогда астронавты в капсуле облетели вокруг Луны.
Но возможно ли, чтобы человек путешествовал со скоростью света? На самом деле нет. Все потому что масса и энергия эквивалентны друг другу.
Это значит, что при развитии скорости, близкой к скорости света, масса движущегося объекта будет экспоненциально увеличиваться. В конце концов, его масса станет просто бесконечной. Соответственно, чтобы воздействовать на такой объект, понадобится бесконечное количество энергии.
Свет же, который состоит из фотонов, движется с такой скоростью. Все потому что фотоны не имеют массы. А значит, для движения им совсем не требуется энергия.
Но все-таки теоретически вполне возможно двигаться на 99,99% от скорости света. Что же будет чувствовать человек, двигаясь с почти световой скоростью?
Релятивистский эффект
Для человека, движущегося со скоростью близкой к скорости света (релятивистской), время очень сильно замедлится. И чем быстрее будет разгоняться объект, тем сильнее будет замедляться с точки зрения движущегося объекта время.
Например, человек находится на борту космического корабля, который преодолевает расстояние со скоростью, равной 99.999999% световой скорости. С точки зрения земного наблюдателя он потратит примерно 12 месяцев, чтобы добраться до планеты, отдаленной от него на один световой год. Однако восприятие самого космонавта будет таково, что на преодоление этого расстояния у него уйдет всего лишь час с небольшим.
Таким образом, путешествуя со скоростью чуть меньшей скорости света, космонавт еще долго не будет стареть. Однако, проблемы будут в другом.
Согласно Теории Относительности, масса тела такого путешественника будет увеличиваться по мере того, как будет расти его скорость передвижения. Человек, вес тела которого равен 65 килограммам, на скорости 90% от световой будет чувствовать, что весит он все 150 килограмм.
Что можно будет увидеть?
Двигаясь на таких скоростях, путешественник будет видеть Вселенную, летящую ему навстречу, как бы через иллюминатор. Звезды, приближающиеся к кораблю, будут казаться синими полосами. А звезды отдаляющиеся – красными.
Это обусловлено тем, что световые длины волн, испускаемые звездами впереди, становились бы короче для наблюдателя. Длины волны от звезд позади наоборот бы удлинялись. А от длины волны и зависит цвет, который мы воспринимаем глазом.
Однако, преодолев определенную отметку на “космическом спидометре”, путешественник погрузится во тьму. Спектр волн, излучаемых звездами для объекта, несущегося на таких скоростях, не будет уже улавливаться глазом.
Но что если бы человек мог двигаться, как фотон, ровно со скоростью света? Что бы он тогда увидел?
Как уже было сказано, чем выше скорость объекта, тем сильнее для него замедляется время. Исходя из этого, время для фотона просто не существует. Будь это час, год или миллиарды лет – любой отрезок времени для такого объекта равен нулю.
Если бы человек летел со скоростью фотона, он бы не видел ничего. Так как для того, чтобы что-то увидеть, нужно время. А если оно равно нулю, то невозможны никакие действия со стороны летящего объекта.
Можем ли мы двигаться быстрее скорости света?
Можно ли двигаться быстрее скорости света или нет? Ответ — нет. Универсальный предел скорости, который мы обычно называем скоростью света, является фундаментальным для того, как работает Вселенная. Трудно представить себе это, если вы никогда не слышали об этом раньше, но ученые обнаружили, что чем быстрее вы движетесь, тем больше сжимается ваше пространственное измерение в прямом направлении и тем медленнее идут ваши часы при просмотре со стороны внешнего наблюдателя. Другими словами, пространство и время не являются фиксированным фоном, на котором все происходит так же, как и всегда. Вместо этого пространство и время могут искривляться.
Если вы посмотрите на уравнения, которые лежат в основе теорий относительности Эйнштейна, вы обнаружите, что по мере приближения к скорости света ваше пространственное измерение в прямом направлении сжимается до нуля, а ваши часы замедляются до остановки.
Система отсчета с нулевой длиной и без прогрессии во времени на самом деле является системой отсчета, которой не существует. Следовательно, это говорит нам о том, что ничто не может двигаться быстрее скорости света по той простой причине, что пространство и время фактически не существуют за пределами этой точки.
Поскольку понятие «скорость» требует измерения определенного расстояния, пройденного в пространстве за определенный период времени, понятие скорости даже физически не существует за пределами скорости света. На самом деле словосочетание «быстрее света» физически бессмысленно.
Вы можете сказать, что теории относительности Эйнштейна ошибочны. Однако в настоящее время существует так много свидетельств, подтверждающих относительность, что, если они ошибочны, они должны будут ошибаться в незначительной степени, не изменяющей эти основные принципы.
Однако, ограничение, заключающееся в том, что ничто не может двигаться быстрее света, не является всеобщим, как кажется.
Более точная формулировка принципа такова: «ничто не может локально перемещаться быстрее света». Это означает, что мы действительно можем достичь эффективных скоростей, превышающих скорость света, если мы будем использовать нелокальные масштабы.
Например, если червоточины существуют, мы можем использовать их, чтобы сократить путь от Земли к Альфа Центавра. По сравнению с небольшим количеством света, который прошел от Земли к Альфа Центавра и не прошел через червоточину, вы бы путешествовали быстрее. Другими словами, вы бы первыми достигли звезды. Это разрешено, потому что вы никогда не превышали локально скорость света. Если другой луч света был направлен от Земли до Альфа Центавра и прошел через червоточину вместе с нами, мы никак не смогли его обогнать.
Другой пример: во Вселенной есть далекие галактики, которые удаляются друг от друга со скоростью, превышающей скорость света.
Но как галактики могут двигаться быстрее скорости света, если ничто не может двигаться быстрее света?
Представьте себе нашу расширяющуюся Вселенную. Это не взрыв из определенного места, когда галактики разлетаются, как части взрыв. Это расширение пространства. Нет никакого центра, и Вселенная ни во что не расширяется.
Представьте, что вы находитесь к какой-то галактике, и по мере того, как Вселенная расширяется, вы видите, как все другие галактики удаляются от вас. И если бы вы перелетели на любую другую галактику, вы бы увидели, что все остальные все равно удаляются от вас.
Вот что интересно: более далекие галактики удаляются от нас быстрее. Чем дальше находится галактика, тем быстрее она удаляется от нас.
Об этом говорит Постоянная Хаббла — идея о том, что на каждый мегапарсек расстояния между нами и далекой галактикой скорость, разделяющая нас, увеличивается примерно на 71 километр в секунду. Галактики, разделенные двумя парсеками, будут увеличивать свою скорость на 142 километра каждую секунду. Как только вы выйдете на расстояние 4200 мегапарсек, две галактики будут улетать друг от друга со скоростью, превышающей скорость света.
Самый первый в истории свет, космическое микроволновое фоновое излучение, удалено от нас на 46 миллиардов световых лет во всех направлениях. 4200 мегапарсек — это немногим более 13,7 миллиардов световых лет. Но следует понимать, что есть очень много пространства для объектов, которые находятся на расстоянии более 4200 мегапарсек друг от друга.
То есть большая часть видимой нам Вселенной уже улетает со скоростью, превышающей скорость света. Но как можно увидеть свет от любых галактик, движущихся быстрее скорости света. Как мы вообще можем увидеть космическое микроволновое фоновое излучение?
Свет, излучаемый галактиками, движется к нам, в то время как сама галактика удаляется от нас, поэтому фотоны, испускаемые всеми звездами галактики, все еще могут достигать нас. Эти длины волн света растягиваются и скользят дальше в красный конец спектра, уходя в инфракрасные, микроволновые и даже радиоволны. Со временем фотоны растянутся так далеко, что мы вообще не сможем обнаружить галактику.
В далеком будущем все галактики и все излучение, которое мы видим сегодня, исчезнут, и их нельзя будет обнаружить. Астрономы далекого будущего не будут знать, что когда-либо был Большой взрыв или что-то есть за пределами нашей местной группы галактик.
Существует ли нечто, способное передвигаться быстрее скорости света?
Всентябре 2011 года физик Антонио Эредитато потряс мир, сделав заявление, которое могло перевернуть наше понимание Вселенной. Согласно данным, собранным 160 учеными, работающими над проектом OПЕРА, было сделано заявление, что частицы «нейтрино» движутся быстрее света. Но это, согласно теории относительности Эйнштейна, невозможно. Несмотря на то, что физик Эредитато и его команда «доверяют» своему результату, они не утверждали, что результат был абсолютно точным. Напротив, они попросили других ученых помочь им разобраться в том, что происходит.
Последствия такого открытия могли быть невероятными, что могло повлечь за собой пересмотр самих основ физики. Но в итоге выяснилось, что результат проекта ОПЕРЫ был неверным. Проблема синхронизации была вызвана плохо подключенным кабелем, который должен был передавать точные сигналы от спутников GPS. Произошла неожиданная задержка сигнала. Как следствие, измерения того, сколько времени потребовалось нейтрино для прохождения данного расстояния, были отключены примерно на 73 наносекунды, из-за чего все выглядело так, будто они просвистели быстрее, чем это сделал свет.
Несмотря на месяцы тщательных проверок перед экспериментом и обильной двойной проверкой данных впоследствии, на этот раз ученые ошиблись. Физик Эредитато подал в отставку, хотя многие отмечали, что подобные ошибки все время случаются в чрезвычайно сложном механизме ускорителей частиц.
Почему предположение, что нечто может двигаться быстрее света, вызвало такой ажиотаж? И действительно ли мы уверены в том, что ничто не способно преодолеть этот показатель?
Давайте сначала рассмотрим второй из этих вопросов. Скорость света в вакууме составляет 299 792 458 км / с, что немного похоже на круглую цифру в 300 000 км / с. Это весьма быстро. Солнце находится на расстоянии 150 миллионов километров от Земли, и свету требуется всего восемь минут и 20 секунд, чтобы пройти этот путь.
Может ли какое-либо из наших «творений» конкурировать в гонке со светом? К примеру, один из самых быстрых когда-либо созданных человеком объектов — зонд New Horizons, предназначенный для изучения Плутона и его естественного спутника Харона (запуск осуществлён 19 января 2006 года) достиг скорости относительно Земли чуть более 16 км / с, что значительно ниже 300 000 км / с.
Тем не менее, ученые заставили крошечные частицы путешествовать намного быстрее. В начале 1960-х годов Уильям Бертоцци из Массачусетского технологического института экспериментировал с ускорением электронов с большими скоростями. Поскольку у электронов есть отрицательный заряд, то возможно продвинуть или, скорее, «оттолкнуть» их, применяя тот же самый отрицательный заряд к материалу. Чем больше приложенной энергии, тем быстрее электроны будут ускоряться.
Вы могли бы себе представить, что вам просто нужно увеличить приложенную энергию, чтобы достичь необходимой скорости 300 000 км / с? Но на практике оказывается, что электроны просто не могут двигаться так быстро. Эксперименты Бертоцци показали, что использование большего количества энергии просто вызывает прямо пропорциональное увеличение скорости электрона. Вместо этого ему нужно было прикладывать все большее количество дополнительной энергии, чтобы хоть немного изменить скорость движения электронов. Они приближались к скорости света, но так и не достигли ее.
Представьте, что вы движетесь к двери небольшими шажками, в каждом из которых вы проходите ровно половину расстояния между вашим текущим положением и дверью. Строго говоря, вы никогда не доберетесь до двери, потому что после каждого вашего шага у вас будет оставаться дистанция, которую нужно преодолеть. Именно с такой проблемой Бертоцци столкнулся со своими электронами.
Свет состоит из частиц, называемых фотонами. Почему эти частицы могут путешествовать со скоростью света, а такие частицы, как электроны, не могут?
Физик Роджер Рассул из Мельбурнского университета в Австралии говорит о том, что по мере того, как объекты движутся все быстрее и быстрее, они становятся все тяжелее и тяжелее. Чем тяжелее они становятся, тем труднее добиться ускорения, поэтому объекты никогда не достигнут скорости света. «Фотон на самом деле не имеет массы»,— говорит физик. «Если бы он имел массу, он не мог бы двигаться со скоростью света».
Фотоны особенные. У них не только отсутствует масса, что обеспечивает им полную свободу перемещений в космическом вакууме, им еще и разгоняться не нужно. Естественная энергия, которой они располагают, перемещается волнами, как и они, поэтому в момент их создания они уже обладают максимальной скоростью. В некотором смысле проще думать о свете как о энергии, а не как о потоке частиц, хотя, по правде говоря, свет является и тем и другим. Тем не менее, иногда кажется, что свет движется медленнее, чем мы могли бы ожидать. Хотя Интернет-техники любят говорить о коммуникациях, которые работают «на скорости света» в оптоволокне, на самом деле свет проходит через оптоволокно примерно на 40% медленнее, чем через вакуум.
В действительности фотоны все еще движутся со скоростью 300 000 км / с, но они сталкиваются с некоторой интерференцией, вызванной высвобождением других фотонов из атомов стекла, когда проходит главная световая волна. Это сложная концепция, чтобы описать ее в нескольких предложениях, но ее важно отметить.
Тем не менее, в большинстве своем справедливо говорить о том, что свет движется со скоростью 300 000 км / с. Мы действительно не наблюдали и не создали ничего, что могло бы идти так быстро или даже быстрее. Есть особые моменты, но прежде чем мы их коснемся, давайте затронем другой наш вопрос.Почему так важно, чтобы правило скорости света выполнялось строго? Ответ дан человеком по имени Альберт Эйнштейн. Его теория относительности исследует множество последствий его универсальных пределов скорости.
Одним из важных элементов в теории является идея, что скорость света является постоянной. Независимо от того, где вы находитесь или как быстро вы путешествуете, свет всегда движется с одинаковой скоростью. Но это создает некоторые концептуальные проблемы. Представьте себе свет от факела до зеркала на потолке неподвижного космического корабля. Свет будет светить вверх, отражаться от зеркала и падать на пол космического корабля. Допустим, пройденное расстояние составляет 10 метров. Теперь давайте представим, что космический корабль начинает двигаться с невероятной скоростью, многие тысячи километров в секунду. Когда вы снова зажжете факел, свет все равно будет вести себя как и прежде: он будет светиться вверх, попадать в зеркало и отскакивать, падая на пол. Но чтобы сделать это, свет должен двигаться по диагонали, а не только по вертикали, ведь зеркало теперь быстро движется вместе с космическим кораблем. Поэтому расстояние, которое проходит свет, увеличивается. Давайте представим, что оно увеличилось в целом на 5 м. Это всего 15 м, а не 10 м.
И все же, хотя расстояние увеличилось, теория Эйнштейна настаивает на том, что свет все еще движется с той же скоростью. Поскольку скорость — это расстояние, деленное на время, то для того, чтобы скорость была такой же, при увеличенном расстоянии, время также должно увеличиться. Именно, само время должно возрасти. Это звучит странно, но это было доказано экспериментально. Явление известно как «Релятивистское замедление времени», и означает, что время движется медленнее для людей, путешествующих на быстро движущихся транспортных средствах, по сравнению с теми, кто стоит на месте.
Например, время астронавтов на Международной космической станции, которая движется со скоростью 7,66 км / с относительно Земли, медленнее на 0,007 секунды по сравнению с людьми на планете. А к примеру, для частиц, таких как электроны, упомянутые выше, и которые могут путешествовать близко к скорости света, степень замедления времени может быть большой.
Стивен Колтхаммер, физик-экспериментатор из Оксфордского университета в Великобритании, указывает на пример с частицами, называемыми мюонами. Мюоны нестабильны: они быстро распадаются на более простые частицы. Это происходит так быстро, что большинство мюонов, покидающих Солнце, по идее должны были распасться к тому времени, когда они достигают Земли. Но в действительности мюоны прибывают на Землю с Солнца в огромных количествах. Физики долгое время пытались понять почему. Ответ на эту загадку заключается в том, что мюоны генерируются с такой энергией, что они движутся со скоростями, очень близкими к скорости света. Так что их «чувство времени», их «внутренние часы» на самом деле работают медленно. Мюоны «остаются в живых» дольше, чем ожидалось, относительно нас, благодаря настоящему, естественному искривлению времени.
Когда объекты движутся быстро относительно других объектов, их длина также уменьшается. Эти последствия — замедление времени и сокращение длины, являются примерами того, как пространство-время изменяется в зависимости от движения таких вещей, как вы, или я, или космический корабль, обладающих массой.
Важно отметить, что, как сказал Эйнштейн, свет не подвержен такому же влиянию, потому что он не имеет массы. Вот почему эти принципы идут рука об руку. Если бы предметы могли двигаться быстрее света, то «они» бы не подчинялись этим фундаментальным законам, которые описывают, как работает Вселенная. Это ключевые принципы.
Теперь мы можем поговорить о нескольких исключениях и отступлениях.
С одной стороны, хотя мы не видели ничего, что двигалось бы быстрее света, это не означает, что этот предел скорости нельзя теоретически побить в весьма специфических условиях. Взять, к примеру, расширение самой Вселенной. Во Вселенной есть галактики, удаляющиеся друг от друга со скоростью, превышающей скорость света.
Другая интересная ситуация касается частиц, которые разделяют одни и те же свойства в одно и то же время, независимо от того, как далеко находятся друг от друга. Это так называемая «квантовая запутанность». Фотон будет вращаться вверх и вниз, случайно выбирая из двух возможных состояний, но выбор направления вращения будет точно отражаться на другом фотоне где-либо еще, если они запутаны. Поэтому два ученых, каждый из которых изучает свой собственный фотон, получат одинаковые результаты одновременно, быстрее скорости света.
Однако в обоих этих примерах важно отметить, что никакая информация не распространяется быстрее, чем скорость света между двумя объектами. Мы можем рассчитать расширение Вселенной, но мы не можем наблюдать в ней какие-либо объекты, превышающие скорость света: они исчезают из поля зрения. Что касается двух ученых с их фотонами, то, хотя они могли бы достигнуть того же самого результата одновременно, они не могли подтвердить этот факт друг с другом быстрее, чем свет мог путешествовать между ними.
Существует еще один возможный путь, с которым технически возможно путешествие быстрее света: разрывы в самом пространстве-времени, которые позволяют путешественнику избежать правил обычного путешествия.
Физик Джеральд Кливер из Университета Бэйлор в Техасе рассмотрел возможность того, что когда-нибудь мы сможем построить космический корабль со скоростью, превышающей скорость света. Одним из способов сделать это может быть путешествие через «кротову нору» («wormholes»). Это петли в пространстве-времени, полностью соответствующие теориям Эйнштейна, которые могут позволить астронавту перепрыгивать с одной точки Вселенной на другую через аномалию в пространстве-времени, как своего рода космического «короткого пути».
Объект, путешествующий через «кротову нору», не будет превышать скорость света, но теоретически он может достичь определенного пункта назначения быстрее, чем свет, если он пойдет по «нормальному» маршруту. Но «кротовы норы» могут быть недоступны для космических путешествий.
Может ли быть другой способ активно исказить пространство-время, чтобы двигаться быстрее 300 000 км/c относительно кого-нибудь еще?
Кливер также исследовал идею, известную как «двигатель Алькубьерра», предложенную физиком-теоретиком Мигелем Алькубьерре в 1994 году. Он описал ситуацию, в которой пространство-время сжимается перед космическим аппаратом, толкая его вперед, и расширяется позади него, также толкая его вперед. Но вопрос о том, как это сделать и сколько энергии это займет – осталось открытым. В 2008 году он и его аспирант Ричард Обоузи подсчитали сколько понадобится энергии: если предположить, что корабль размером примерно 10 х 10 м х 10 м (1000 кубических метров), то количество энергии, которое потребуется для запуска процесса, должно быть порядка всей массы Юпитера.
После этого энергия должна была бы постоянно «подливаться» дополнительно, чтобы процесс не потерпел неудачу. Но никто не знает, как это возможно сделать, или как будет выглядеть технология для этого. При этом Кливер замечает, что не хочет, чтобы через столетия его неправильно цитировали, потому что он предсказывает, что этого никогда не произойдет. Он на сегодняшний день не видит возможных вариантов решений этого. Таким образом, путешествие быстрее света остается фантастикой на данный момент.
В своем исследовании другой физик Кольтхаммер строит схему, которая использует фотоны для отправки сигналов из одной части схемы в другую, поэтому он комментирует такого рода полезность удивительной скорости света: «Сам факт того, что мы построили инфраструктуру Интернета, к примеру, а до него и радио, основанную на свете, имеет отношение к легкости, с которой мы можем его передавать». Свет действует как связующая сила для Вселенной.Когда электроны в мобильном телефоне начинают дрожать, фотоны вылетают и приводят к тому, что электроны в другом мобильном телефоне тоже дрожат. Именно этот процесс позволяет сделать телефонный звонок.
Дрожь электронов на Солнце также испускает фотоны в огромных количествах, которые образуют свет, дающий жиз
Дәурен
