Чи може щось рухатися швидше за швидкість світла?

Один загальновідомий факт у фізиці полягає в тому, що ви не можете рухатися швидше за швидкість світла. Хоча це в основному правда, це також надмірне спрощення. Відповідно до теорії відносності об’єкти можуть рухатися трьома шляхами:

Рухається зі швидкістю світла

Однією з ключових ідей, які Альберт Ейнштейн використав для розробки своєї теорії відносності, було те, що світло у вакуумі завжди рухається з однаковою швидкістю. Тому частинки світла або фотони рухаються зі швидкістю світла. Це єдина швидкість, з якою можуть рухатися фотони. Вони ніколи не можуть ні прискорити, ні сповільнити. ( Примітка. Фотони справді змінюють швидкість, коли вони проходять крізь різні матеріали. Так відбувається заломлення, але абсолютна швидкість фотона у вакуумі не може змінитися.) Насправді, поки що всі бозони рухаються зі швидкістю світла як ми можемо сказати.

Повільніше, ніж швидкість світла

Наступний великий набір частинок (наскільки нам відомо, усі ті, що не є бозонами) рухається повільніше, ніж швидкість світла. Теорія відносності говорить нам, що фізично неможливо коли-небудь прискорити ці частинки настільки швидко, щоб вони досягли швидкості світла. Чому це? Насправді це зводиться до деяких основних математичних концепцій.

Оскільки ці об’єкти містять масу, теорія відносності говорить нам, що рівняння кінетичної енергії об’єкта на основі його швидкості визначається рівнянням:

У наведеному вище рівнянні багато чого відбувається, тому давайте розберемо ці змінні:

• γ — коефіцієнт Лоренца, який є масштабним коефіцієнтом, який неодноразово відображається в теорії відносності. Він вказує на зміну різних величин, таких як маса, довжина та час, коли об’єкти рухаються. Оскільки γ = 1 / / квадратний корінь з (1 – v 2 / c 2 ), це є причиною різного вигляду двох показаних рівнянь.
• m₀ — маса спокою об’єкта, отримана, коли він має швидкість 0 у даній системі відліку.
• c – швидкість світла у вільному просторі.
• v — швидкість, з якою рухається об’єкт. Релятивістські ефекти помітні лише для дуже високих значень v , тому ці ефекти можна було ігнорувати задовго до появи Ейнштейна.

Зверніть увагу на знаменник, який містить змінну v (для швидкості ). Оскільки швидкість стає все ближчою до швидкості світла ( c ), цей член v 2 / c 2 наближатиметься до 1 . що означає, що значення знаменника (“корінь квадратний з 1 – v 2 / c 2 “) наближатиметься все ближче до 0.

Коли знаменник стає меншим, сама енергія стає все більшою і більшою, наближаючись до нескінченності . Тому, коли ви намагаєтеся розігнати частинку майже до швидкості світла, для цього потрібно все більше енергії. Насправді прискорення до швидкості світла займе нескінченну кількість енергії, що неможливо.

Згідно з цим міркуванням, жодна частинка, яка рухається повільніше за швидкість світла, ніколи не може досягти швидкості світла (або, розширено, рухатися швидше за швидкість світла).

Швидше за швидкість світла

А якби у нас була частинка, яка рухається швидше за швидкість світла? Це взагалі можливо?

Строго кажучи, це можливо. Такі частинки, звані тахіонами, з’являлися в деяких теоретичних моделях, але їх майже завжди видаляли, оскільки вони представляють фундаментальну нестабільність у моделі. На сьогоднішній день у нас немає експериментальних доказів того, що тахіони дійсно існують.

Якби тахіон існував, він завжди рухався б швидше за швидкість світла. Використовуючи ті ж міркування, що й у випадку повільніших за світло частинок, ви можете довести, що для сповільнення тахіона до швидкості світла знадобиться нескінченна кількість енергії.

Різниця полягає в тому, що в цьому випадку ви отримуєте v -член трохи більший за одиницю, що означає, що число в квадратному корені є від’ємним. Це призводить до уявного числа, і навіть концептуально незрозуміло, що насправді означатиме наявність уявної енергії. (Ні, це не темна енергія .)

Швидше, ніж повільне світло

Як я вже згадував раніше, коли світло переходить із вакууму в інший матеріал, воно сповільнюється. Цілком можливо, що заряджена частинка, наприклад електрон, може увійти в матеріал із достатньою силою, щоб рухатися всередині цього матеріалу швидше за світло. (Швидкість світла в певному матеріалі називається фазовою швидкістю світла в цьому середовищі.) У цьому випадку заряджена частинка випромінює форму електромагнітного випромінювання , яке називають випромінюванням Черенкова .

Підтверджений виняток

Існує один спосіб обійти обмеження швидкості світла. Це обмеження стосується лише об’єктів, які рухаються в просторі-часі, але сам простір -час може розширюватися з такою швидкістю, що об’єкти в ньому розходяться швидше за швидкість світла.

Як недосконалий приклад, подумайте про два плоти, що пливуть річкою з постійною швидкістю. Річка розгалужується на два рукави, по кожному з яких пливе один пліт. Хоча самі плоти завжди рухаються з однаковою швидкістю, вони рухаються швидше один відносно одного через відносну течію самої річки. У цьому прикладі сама річка є простором-часом.

Згідно з поточною космологічною моделлю, віддалені простори Всесвіту розширюються зі швидкістю, вищою за швидкість світла. У ранньому Всесвіті наш Всесвіт також розширювався з такою швидкістю. Тим не менш, у будь-якій конкретній області простору-часу обмеження швидкості, накладені теорією відносності, діють.

Один можливий виняток

Останнім моментом, який варто згадати, є висунута гіпотетична ідея під назвою космологія змінної швидкості світла (VSL), яка передбачає, що сама швидкість світла змінювалася з часом. Це надзвичайно суперечлива теорія, і немає прямих експериментальних доказів на її підтримку. Здебільшого ця теорія була висунута тому, що вона має потенціал вирішити певні проблеми в еволюції раннього Всесвіту, не вдаючись до теорії інфляції .

Швидше за швидкість світла: вчені розповіли, хто може переступити непереборний поріг

Відповідно до законів фізики, ніщо в Усесвіті не може рухатися швидше за швидкість світла. Але, як завжди, є виняток із правил.

Сучасні фізичні закони говорять про те, що ні людина, ні будь-який об’єкт, який має масу, не може переміщатися в просторі зі швидкістю, яка перевищує швидкість світла. Але існують гіпотетичні частки, які можуть це робити, і навіть можуть переміщатися в часі. Про те, що це за частки та про можливість переміщень у просторі зі швидкістю, вищою за швидкість світла, у своїй статті для The Conversation розповів Сем Берон із Австралійського католицького університету.

Згідно з теорією відносності Альберта Ейнштейна, швидкість світла — це універсальна межа для всіх об’єктів у Всесвіті, які мають масу. Ця теорія говорить, що такі об’єкти не можуть розігнатися до швидкості, яка більша за швидкість світла.

Енергія не нескінченна

“Щоб прискорити об’єкт, який має масу людини, наприклад, потрібно додати їй енергії. Чим більшої швидкості ми хочемо досягти, тим більше енергії нам потрібно. Але відомо, що об’єктам, незалежно від того, яку масу вони мають, знадобиться для розгону до швидкості світла нескінченна кількість енергії. Але всі відомі джерела енергії мають свою межу”, — говорить Берон.

За словами вченого, в Усесвіті є лише обмежена кількість енергії. А це означає, що її недостатньо, щоб розігнати об’єкт із масою більше за швидкість світла.

“Оскільки в нас із вами є маса, не чекайте, що найближчим часом людина подорожуватиме в космосі зі швидкістю, яка більша за швидкість світла”, — говорить Берон.

Згідно з теорією відносності Альберта Ейнштейна, швидкість світла — це універсальна межа для всіх об’єктів у Всесвіті, які мають масу. Ця теорія свідчить, що такі об’єкти не можуть розігнатися до швидкості, яка більша за швидкість світла

Гіпотетичні частки — тахіони

Існуюче обмеження швидкості для переміщення у просторі поширюється на об’єкти з так званою звичайною масою. Але вчені вважають, що існують гіпотетичні частки з так званою уявною масою. Ці частинки називаються тахіони.

“Поки що вчені не виявили доказів того, що тахіони існують. Але, якщо все ж таки вони є, то вони повинні завжди рухатися в просторі зі швидкістю, яка перевищує швидкість світла. Відповідно до теорії, ці частки не можуть рухатися повільніше за швидкість світла”, — каже Берон.

Відповідно до гіпотез деяких фізиків, ці гіпотетичні частки, якщо вони існують, постійно подорожують назад у часі. Тому ці частки часто використовують письменники-фантасти у своїх творах, які пов’язані з подорожами в часі.

“Деякі вчені вважають, що колись, коли ми виявимо тахіони, людина зможе використати ці частинки для створення машини часу. Але це лише гіпотеза”, — говорить Берон.

Червоточини

За словами вченого, подорожі зі швидкістю, вищою за швидкість світла, наразі є поки що нездійсненною мрією.

“Якщо говорити про теоретичні подорожі в космосі для людини до інших зірок зі швидкістю світла, то найближча до нас зірка розташована на відстані 4,35 світлових років. А найдальша з відомих — на відстані 28 млрд світлових років. Це означає, щоб людині добратися до зоряної системи Альфа Центавра, їй потрібно витратити тільки в один бік 4 роки свого життя. Ну, а про найдальшу зірку навіть нічого й мріяти”, — каже Берон.

За словами вченого, у подоланні таких далеких відстаней можуть допомогти так звані червоточини, існування яких допускає теорія відносності

За словами вченого, у подоланні таких далеких відстаней можуть допомогти так звані червоточини, існування яких допускає теорія відносності.

За допомогою червоточин, згідно з теорією, можна подолати величезні відстані за дуже короткий період часу. Ці об’єкти в космосі можуть пов’язувати дві точки в просторі таким чином, що тривалість подорожі зі швидкістю світла, яка триватиме 4 роки, можна скоротити до кількох годин.

“Якщо ці червоточини існують, то люди змогли б дістатися до найдальших куточків Усесвіту всього за одне людське життя. Але, як і тахіони, червоточини поки є суто гіпотетичними об’єктами”, — говорить Берон.

“Ми не можемо рухатися швидше за швидкість світла, ми тільки можемо спробувати уявити, як це. Тому неможливо з упевненістю сказати, що станеться, якби ми могли подорожувати швидше за швидкість світла”, — резюмує Берон у своїй статті.

Нагадуємо, що величина швидкості світла у вакуумі дорівнює 299792458 м/с або 1079252848,8 км/год.

Як уже писав Фокус, учені вважають, що могли виявити мережу з червоточин, які створили для переміщення в просторі представники позаземного розуму.

Також Фокус писав про те, що фізики готові відродити альтернативну теорію гравітації. До цього їх спонукало дослідження незвичайної галактики.

Нагадуємо, що астрономам вдалося точніше визначити величину швидкості, з якою розширюється наш Усесвіт.

• Читайте нас у:
• Читайте у Telegram
• Читайте у Facebook
• Читайте у Twitter

• Теги:
• космос
• швидкість
• астрономія
• всесвіт
• частинки
• елементарні частинки
• швидкість світла

• Поширити:
• відправити у Telegram
• поділитись у Facebook
• твітнути
• відправити у Viber
• відправити у Whatsapp
• відправити у Messenger