Можно ли превысить скорость света?
Скорость света — величина, с которой движется свет в вакууме. И чем быстрее что-то движется, тем более массивным оно становится, и тем больше замедляется время. На малых скоростях это практически неощутимо, но при приближении к скорости света это становится резко заметным. Получается, что если вы хотите ускорить хотя бы один электрон до световой скорости, вам потребуется бесконечное количество энергии, поскольку электрон становится бесконечно тяжелым. А у света нет массы, поэтому такой проблемы у него не возникает. В этом и заключается сложность преодоления.
Так можем ли мы превысить скорость света? Нет. При обычных условиях нельзя превысить световой предел. Так как бесконечную энергию невозможно достичь.
Исследование: ученые превысили скорость света
У света есть некоторые особенности, которые позволяют нарушать правила. Это не ускорит путешествия к звездам, но поможет создать совершенно новый класс лазеров.
Физики давно экспериментируют с ограничением скорости световых импульсов, ускоряя их и даже замедляя до полного, но виртуального, виртуального останова. При этом использовались различные материалы, такие как холодные атомные газы, преломляющие кристаллы и оптические волокна.
Как-то исследователи из Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса в Калифорнии и Университета Рочестера в Нью-Йорке выбрали в качестве среды облака горячих заряженных частиц. И у них получилось менять скорость световых волн в плазме от примерно одной десятой от обычной скорости света в вакууме до скорости, превышающей скорость света более чем на 30%.
Импульсы фотонов могут сталкиваться таким образом, чтобы создавать волны. Световые волны проходят через вещество со скоростью, описываемой исследователями как групповая скорость, и именно этой «волной волн» ученые и управляли, меняя электромагнитные условия.
Вырывая электроны из потока ионов водорода и гелия с помощью лазера, исследователи смогли изменить групповую скорость световых импульсов, посылаемых через плазму вторым источником света.
С практической точки зрения эксперимент имеет значение не для межзвездных перелетов, а для лазеров и позволит создать новое невероятно мощное поколение этих приборов. В лазерах используются твердотельные оптические материалы, которые, как правило, повреждаются при высоких энергиях. Использование потоков плазмы для изменения световых характеристик позволило бы решить эту проблему.
Спросите Итана: как быстро можно достичь скорости света?
Для достижения скорости, близкой к скорости света, многоступенчатой ракете нужно было бы отбрасывать часть своей массы по мере увеличения скорости, как делает изображённая здесь ракета Super Haas
Допустим, вы хотите отправиться в межзвёздное путешествие и добраться до точки назначения как можно быстрее. Возможно, у вас не получится сделать это до завтра, но если бы у вас были все необходимые инструменты и технологии, а также немного помощи от относительности Эйнштейна – смогли бы вы добраться туда через год? А что насчёт приближения к скорости света? Именно об этом задаёт наш читатель свой вопрос на этой неделе:
Для путешествия к звёздам совершенно необходимо поддерживать такое ускорение.
Этот запуск космического корабля Колумбия в 1992 году показывает, что ракета ускоряется не мгновенно – ускорение занимает долгое время
Самые передовые ракеты и системы реактивного движения, созданные человечеством, недостаточно мощные для такой задачи, потому что они добиваются не такого уж большого ускорения. Впечатляющие они потому, что ускоряют огромную массу довольно продолжительное время. Но ускорение таких ракет, как Сатурн-5, Атлас, Фалькон и Союз не превышает ускорение какого-нибудь спортивного автомобиля: от 1 до 2 g, где g – 9,8 метра на секунду в квадрате. В чём разница между ракетой и спортивным автомобилем? Своего предела автомобиль достигнет секунд через 9, на отметке в 320 км/ч. Ракета же может ускоряться так гораздо дольше – не секунды или минуты, но четверть часа.
Самой первой с космического центра на мысе Кеннеди НАСА запустило ракету Аполло-4. Хотя она ускорялась так же, как спортивный автомобиль, её ключ к успеху был в длительной поддержке этого ускорения
Именно так мы можем преодолеть гравитационное притяжение Земли и выйти на орбиту, достичь других миров в нашей Солнечной системе или даже вырваться из солнечного притяжения. Но в какой-то момент и мы дойдём до предела – ускоряться можно ограниченное время из-за ограничений на количество переносимого топлива. Используемое нами ракетное топливо, к несчастью, чрезвычайно неэффективно. Вы видели знаменитое уравнение Эйнштейна, E = mc 2 , описывающее массу, как форму энергии, и то, что энергию можно хранить в виде материи. Наше замечательное ракетное топливо ужасно неэффективно.
Первый пробный запуск двигателя SpaceX Raptor в начале 2016
Используя химические реакции, топливо преобразует не более 0,001% своей массы в энергию, жёстко ограничивая максимальную скорость, доступную космическому кораблю. И именно поэтому для запуска 5 тонн полезного груза на геостационарную орбиту требуется ракета весом в 500 тонн. Ядерные ракеты были бы более эффективными, и превращали бы порядка 0,5% своей массы в энергию, но идеальным результатом было бы топливо из материи и антиматерии, достигающее 100% эффективности в превращении E = mc 2 . Если бы у вас была ракета определённой массы, неважно, какой, и всего 5% этой массы содержалось бы в антиматерии (а ещё 5% — в одноразовой материи), можно было бы контролировать аннигиляцию во времени. В результате вы получили бы постоянное и устойчивое ускорение в 1 g на гораздо большем промежутке времени, чем даст вам любое другое топливо.
Представление художника о реактивной системе движения с использованием антиматерии. Аннигиляция материи/антиматерии даёт высочайшую плотность физической энергии из всех известных веществ
Если вам требуется постоянное ускорение, то аннигиляция материи/антиматерии, составляющих несколько процентов от общей массы, позволит вам ускоряться с такой скоростью несколько месяцев подряд. Таким способом можно набрать до 40% скорости света, если вы потратите весь годовой бюджет США на создание антиматерии, и будете ускорять 100 кг полезного груза. Если вам нужно ускоряться ещё дольше, вам нужно увеличивать количество взятого с собой топлива. И чем больше вы будете ускоряться, чем ближе вы будете к скорости света, тем сильнее вам будут заметны релятивистские эффекты.
Как ваша скорость увеличивается со временем, если держать ускорение 1 g несколько дней, месяцев, лет или десятилетие
После десяти дней полёта с ускорением в 1 g вы уже минуете Нептун, последнюю планету Солнечной системы. Через несколько месяцев вы начнёте замечать замедление времени и сокращение расстояний. Через год вы наберёте уже 80% от скорости света; через 2 года вы подберётесь к 98% скорости света; через 5 лет полёта с ускорением в 1 g вы будете двигаться со скоростью в 99,99% от скорости света. И чем дольше вы будете ускоряться, тем ближе к скорости света вы подберётесь. Но никогда её не достигнете. Более того, с течением времени на это потребуется всё больше энергии.
На логарифмической шкале видно, что чем дольше вы будете ускоряться, тем ближе к скорости света вы подберётесь, но никогда её не достигнете. Даже через 10 лет вы подберётесь к 99,9999999% скорости света, но не достигнете её
На первые десять минут ускорения потребуется определённое количество энергии, и к окончанию этого срока вы будете двигаться со скоростью 6 км/с. Ещё через 10 минут вы удвоите скорость до 12 км/с, но на это потребуется в три раза больше энергии. Ещё через десять минут вы будете двигаться со скоростью 18 км/с, но на это потребуется в 5 раз больше энергии, чем в первые десять минут. Эта схема продолжит работать и дальше. Через год вы уже будете использовать в 100 000 раз больше энергии, чем в начале! Кроме того, скорость будет увеличиваться всё меньше и меньше.
Длины сокращаются, а время растягивается. На графике показано, как космический корабль, двигавшийся с ускорением в 1 g сто лет, может совершить путешествие почти до любой точки видимой Вселенной, и вернуться оттуда, на протяжении одной человеческой жизни. Но к моменту его возвращения на Земле пройдёт дополнительное время
Если вы хотите ускорять корабль весом в 100 кг в течение года при 1 g, вам потребуется 1000 кг материи и 1000 кг антиматерии. Через год вы будете двигаться со скоростью 80% от скорости света, но никогда её не превзойдёте. Даже если бы у вас было бесконечное количество энергии. Постоянное ускорение требует постоянного увеличения тяги, и чем быстрее вы двигаетесь, тем больше вашей энергии тратится на релятивистские эффекты. И пока мы не придумаем, как управлять деформацией пространства, скорость света останется окончательным ограничением Вселенной. Всё, что обладает массой, не сможет её достичь, а уж тем более, превзойти. Но если вы начнёте сегодня, то через год вы окажетесь там, куда ещё не добирался ни один макроскопический объект!
Итан Сигель – астрофизик, популяризатор науки, автор блога Starts With A Bang! Написал книги «За пределами галактики» [Beyond The Galaxy], и «Трекнология: наука Звёздного пути» [Treknology].
5 вещей быстрее света
Физические явления, которые не признают никаких ограничений скорости.
Верхний предел скорости известен даже школьникам: связав массу и энергию знаменитой формулой E = mc 2 , Альберт Эйнштейн еще в начале ХХ века указал на принципиальную невозможность ничему, обладающему массой, перемещаться в пространстве быстрее, чем скорость света в вакууме. Однако уже в этой формулировке содержатся лазейки, обойти которые вполне по силам некоторым физическим явлениям и частицам. По крайней мере, явлениям, существующим в теории.
Первая лазейка касается слова «масса»: на безмассовые частицы эйнштейновские ограничения не распространяются. Не касаются они и некоторых достаточно плотных сред, в которых скорость света может быть существенно меньше, чем в вакууме. Наконец, при приложении достаточной энергии само пространство может локально деформироваться, позволяя перемещаться так, что для наблюдателя со стороны, вне этой деформации, движение будет происходить словно быстрее скорости света.
Некоторые такие «сверхскоростные» явления и частицы физики регулярно фиксируют и воспроизводят в лабораториях, даже применяют на практике, в высокотехнологичных инструментах и приборах. Другие, предсказанные теоретически, ученые еще пытаются обнаружить в реальности, а на третьи у них большие планы: возможно, когда-нибудь эти явления позволят и нам перемещаться по Вселенной свободно, не ограничиваясь даже скоростью света.
Квантовая телепортация
Статус: активно развивается
Телепортация живого существа – хороший пример технологии, теоретически допустимой, но практически, видимо, неосуществимой никогда. Но если речь идет о телепортации, то есть мгновенном перемещении из одного места в другое небольших предметов, а тем более частиц, она вполне возможна. Чтобы упростить задачу, начнем с простого – частиц.
Кажется, нам понадобятся аппараты, которые (1) полностью пронаблюдают состояние частицы, (2) передадут это состояние быстрее скорости света, (3) восстановят оригинал.
Однако в такой схеме даже первый шаг полностью реализовать невозможно. Принцип неопределенности Гейзенберга накладывает непреодолимые ограничения на точность, с которой могут быть измерены «парные» параметры частицы. Например, чем лучше мы знаем ее импульс, тем хуже – координату, и наоборот. Однако важной особенностью квантовой телепортации является то, что, собственно, измерять частицы и не надо, как не надо ничего и восстанавливать – достаточно получить пару спутанных частиц.
Например, для приготовления таких спутанных фотонов нам понадобится осветить нелинейный кристалл лазерным излучением определенной волны. Тогда некоторые из входящих фотонов распадутся на два спутанных – необъяснимым образом связанных, так что любое изменение состояния одного моментально сказывается на состоянии другого. Эта связь действительно необъяснима: механизмы квантовой спутанности остаются неизвестны, хотя само явление демонстрировалось и демонстрируется постоянно. Но это такое явление, запутаться в котором в самом деле легко – достаточно добавить, что до измерения ни одна из этих частиц не имеет нужной характеристики, при этом какой бы результат мы ни получили, измерив первую, состояние второй странным образом будет коррелировать с нашим результатом.
Механизм квантовой телепортации, предложенный в 1993 году Чарльзом Беннеттом и Жилем Брассардом, требует добавить к паре запутанных частиц всего одного дополнительного участника – собственно, того, кого мы собираемся телепортировать. Отправителей и получателей принято называть Алисой и Бобом, и мы последуем этой традиции, вручив каждому из них по одному из спутанных фотонов. Как только они разойдутся на приличное расстояние и Алиса решит начать телепортацию, она берет нужный фотон и измеряет его состояние совместно с состоянием первого из спутанных фотонов. Неопределенная волновая функция этого фотона коллапсирует и моментально отзывается во втором спутанном фотоне Боба.
К сожалению, Боб не знает, как именно его фотон реагирует на поведение фотона Алисы: чтобы понять это, ему надо дождаться, пока она пришлет результаты своих измерений обычной почтой, не быстрее скорости света. Поэтому никакую информацию передать по такому каналу не получится, но факт останется фактом. Мы телепортировали состояние одного фотона. Чтобы перейти к человеку, остается масштабировать технологию, охватив каждую частицу из всего лишь 7000 триллионов триллионов атомов нашего тела, – думается, от этого прорыва нас отделяет не более, чем вечность.
Однако квантовая телепортация и спутанность остаются одними из самых «горячих» тем современной физики. Прежде всего потому, что использование таких каналов связи обещает невзламываемую защиту передаваемых данных: чтобы получить доступ к ним, злоумышленникам понадобится завладеть не только письмом от Алисы к Бобу, но и доступом к спутанной частице Боба, и даже если им удастся до нее добраться и проделать измерения, это навсегда изменит состояние фотона и будет сразу же раскрыто.
Эффект Вавилова – Черенкова
Статус: давно используется
Этот аспект путешествий быстрее скорости света – приятный повод вспомнить заслуги российских ученых. Явление было открыто в 1934 году Павлом Черенковым, работавшим под руководством Сергея Вавилова, три года спустя оно получило теоретическое обоснование в работах Игоря Тамма и Ильи Франка, а в 1958 г. все участники этих работ, кроме уже скончавшегося Вавилова, были награждены Нобелевской премией по физике.
В самом деле, теория относительности говорит лишь о скорости света в вакууме. В других прозрачных средах свет замедляется, причем довольно заметно, в результате чего на их границе с воздухом можно наблюдать преломление. Коэффициент преломления стекла равен 1,49 – значит, фазовая скорость света в нем в 1,49 раза меньше, а, например, у алмаза коэффициент преломления уже 2,42, и скорость света в нем снижается более чем в два раза. Другим частицам ничто не мешает лететь и быстрее световых фотонов.
Именно это произошло с электронами, которые в экспериментах Черенкова были выбиты высокоэнергетическим гамма-излучением со своих мест в молекулах люминесцентной жидкости. Этот механизм часто сравнивают с образованием ударной звуковой волны при полете в атмосфере на сверхзвуковой скорости. Но можно представить и как бег в толпе: двигаясь быстрее света, электроны проносятся мимо других частиц, словно задевая их плечом – и на каждый сантиметр своего пути заставляя сердито излучать от нескольких до нескольких сотен фотонов.
Вскоре такое же поведение было обнаружено и у всех других достаточно чистых и прозрачных жидкостей, а впоследствии излучение Черенкова зарегистрировали даже глубоко в океанах. Конечно, фотоны света с поверхности сюда действительно не долетают. Зато сверхбыстрые частицы, которые вылетают от небольших количеств распадающихся радиоактивных частиц, время от времени создают свечение, возможно, худо-бедно позволяющее видеть местным жителям.
Излучение Черенкова – Вавилова нашло применение в науке, ядерной энергетике и смежных областях. Ярко светятся реакторы АЭС, битком набитые быстрыми частицами. Точно измеряя характеристики этого излучения и зная фазовую скорость в нашей рабочей среде, мы можем понять, что за частицы его вызвали. Черенковскими детекторами пользуются и астрономы, обнаруживая легкие и энергичные космические частицы: тяжелые невероятно трудно разогнать до нужной скорости, и излучения они не создают.
Пузыри и норы
Статус: от фантастического до теоретического
Вот муравей ползет по листу бумаги. Скорость его невелика, и на то, чтобы добраться от левого края плоскости до правого, у бедняги уходит секунд 10. Но стоит нам сжалиться над ним и согнуть бумагу, соединив ее края, как он моментально «телепортируется» в нужную точку. Нечто подобное можно проделать и с нашим родным пространством-временем, с той лишь разницей, что изгиб требует участия других, невоспринимаемых нами измерений, образуя туннели пространства-времени, – знаменитые червоточины, или кротовые норы.
Кстати, согласно новым теориям, такие кротовые норы – это некий пространственно-временной эквивалент уже знакомого нам квантового феномена запутанности. Вообще, их существование не противоречит никаким важным представлениям современной физики, включая общую теорию относительности. Но вот для поддержания такого туннеля в ткани Вселенной потребуется нечто, мало похожее на настоящую науку, – гипотетическая «экзотическая материя», которая обладает отрицательной плотностью энергии. Иначе говоря, это должна быть такая материя, которая вызывает гравитационное… отталкивание. Трудно представить, что когда-нибудь эта экзотика будет найдена, а тем более приручена.
Своеобразной альтернативой кротовым норам может служить еще более экзотическая деформация пространства-времени – движение внутри пузыря искривленной структуры этого континуума. Идею высказал в 1993 году физик Мигеле Алькубьерре, хотя в произведениях фантастов она звучала намного раньше. Это как космический корабль, который движется, сжимая и сминая пространство-время перед своим носом и снова разглаживая его позади. Сам корабль и его экипаж при этом остаются в локальной области, где пространство-время сохраняет обычную геометрию, и никаких неудобств не испытывают. Это прекрасно видно по популярному в среде мечтателей сериалу «Звездный путь», где такой «варп-двигатель» позволяет путешествовать, не скромничая, по всей Вселенной.
Тахионы
Статус: от фантастического до теоретического
Фотоны – частицы безмассовые, как и нейтрино и некоторые другие: их масса в покое равна нулю, и чтобы не исчезнуть окончательно, они вынуждены всегда двигаться, и всегда – со скоростью света. Однако некоторые теории предполагают существование и куда более экзотических частиц – тахионов. Масса их, фигурирующая в нашей любимой формуле E = mc 2 , задается не простым, а мнимым числом, включающим особый математический компонент, квадрат которого дает отрицательное число. Это очень полезное свойство, и сценаристы любимого нами сериала «Звездный путь» объясняли работу своего фантастического двигателя именно «обузданием энергии тахионов».
В самом деле, мнимая масса делает невероятное: тахионы должны терять энергию, ускоряясь, поэтому для них все в жизни обстоит совсем не так, как мы привыкли думать. Сталкиваясь с атомами, они теряют энергию и ускоряются, так что следующее столкновение будет еще более сильным, которое отнимет еще больше энергии и снова ускорит тахионы вплоть до бесконечности. Понятно, что такое самоувлечение просто нарушает базовые причинно-следственные зависимости. Возможно, поэтому изучают тахионы пока лишь теоретики: ни единого примера распада причинно-следственных связей в природе пока никто не видел, а если вы увидите, ищите тахион, и Нобелевская премия вам обеспечена.
Однако теоретики все же показали, что тахионы, может, и не существуют, но в далеком прошлом вполне могли существовать, и, по некоторым представлениям, именно их бесконечные возможности сыграли важную роль в Большом взрыве. Присутствием тахионов объясняют крайне нестабильное состояние ложного вакуума, в котором могла находиться Вселенная до своего рождения. В такой картине мира движущиеся быстрее света тахионы – настоящая основа нашего существования, а появление Вселенной описывается как переход тахионного поля ложного вакуума в инфляционное поле истинного. Стоит добавить, что все это вполне уважаемые теории, несмотря на то, что главные нарушители законов Эйнштейна и даже причинно-следственной связи оказываются в ней родоначальниками всех причин и следствий.
Скорость тьмы
Статус: философический
Если рассуждать философски, тьма – это просто отсутствие света, и скорости у них должны быть одинаковые. Но стоит подумать тщательнее: тьма способна принимать форму, перемещающуюся куда быстрее. Имя этой формы – тень. Представьте, что вы показываете пальцами силуэт собаки на противоположной стене. Луч от фонаря расходится, и тень от вашей руки становится намного больше самой руки. Достаточно малейшего движения пальца, чтобы тень от него на стене сместилась на заметное расстояние. А если мы будем отбрасывать тень на Луну? Или на воображаемый экран еще дальше.
Едва заметное мановение – и она перебежит с любой скоростью, которая задается лишь геометрией, так что никакой Эйнштейн ей не указ. Впрочем, с тенями лучше не заигрываться, ведь они легко обманывают нас. Стоит вернуться в начало и вспомнить, что тьма – это просто отсутствие света, поэтому никакой физический объект при таком движении не передается. Нет ни частиц, ни информации, ни деформаций пространства-времени, есть только наша иллюзия того, что это отдельное явление. В реальном же мире никакая тьма не сможет сравниться в скорости со светом.
Почему нельзя превысить скорость света?
Знаменитые космические аппараты «Вояджер-1» и «Вояджер-2», запущенный американским космическим агентством NASA в 1977-м году с целью исследования межзвездного пространства, пролетели несколько десятков миллиардов километров за сорок лет. Это всего-навсего двадцать световых часов. Для сравнения, расстояние до ближайшей к нам звезды Проксима Центавра составляет четыре световых года.
Космический аппарат "Вояджер"
По подсчетам исследователей свой первый световой год аппараты преодолеют примерно через сорок тысяч лет. Но мы никогда не узнаем о том, преодолеют ли они это расстояние на самом деле. Ведь за такой огромный период времени они с легкостью могут столкнуться с каким-нибудь космическим телом, а сигнал с их передатчиков перестанет достигать земли примерно через десять лет. Тогда почему нельзя было бы их запустить со скоростью света, либо сделать так, чтобы они развили такую скорость во время своего перемещения в космосе? Не все так просто, как кажется на первый взгляд.
Давайте разберемся, почему в физике скорость света является константой и непреодолимым максимумом возможной скорости передвижения для любых физических тел.
Как менялась скорость света и кто её доказал?
История исследований скорости света также начинается еще с античных времен. В так называемый период Нового времени такие известные ученые как Галилео Галилей и Роберт Гук представляли скорость перемещения фотонов в пространстве, как абсолютный максимум, конечную точку, непреодолимый рубеж для всех тел. А вот Иоганн Кеплер, Рене Декарт наоборот считали, что скорость света является бесконечной. Как оказалось позже, Галилей и Гук в своих теориях таки оказались правы.
В 1676-м году, датский ученый Олаф Ремёр впервые в истории дал оценку скорости света очень близкую к современной — 220 000 км/с. С такой скоростью достигал свет от Солнца до спутника Юпитера Ио.
Начало следующего столетия сопровождалось открытием световой аберрации, позволившей еще более точно приблизиться к верному значению скорости света. Джеймс Брэдли, воспользовавшись этими принципами, смог доказать конечность скорости света, а также вычислить её значение — 308 000 км/с.
Спустя еще столетие, наиболее точные значения в земных условиях были получены французским ученым Арманом Физо. С помощью выработанного им «методом прерываний» удалось получить значение в 313 000 км/с. В 1950-м году при помощи того же метода ученым Э. Бергштрандом удалось выяснить наиболее точное значение 299 793,1 км/с, с округлением до 0.25 км/с.
Следующей вехой в исследованиях стало применение лазерных оптических устройств, имеющих стабильную частоту излучения. Благодаря им была зафиксирована точная скорость движения фотонов — 299 792 458 м/с. Этот вселенский максимум не может преодолеть никто. Даже сегодня с достаточно развитой наукой и технологиями мы вынуждены мириться с аксиомой абсолютного предела скорости. Неужели даже в теории мы никогда не сможем преодолеть эту цифру?
Что будет если двигаться со скоростью света?
Сегодня людьми уже придумана гипотетическая технология варп-двигателя, позволяющего перемещаться в космосе быстрее, чем это делает свет. Суть его работы заключается в искажении геометрии пространства. Но сам корабль данной деформации не будет подвержен из-за определенной динамики присущей темной материи (так как в данном случае, перед кораблем будет образовываться недостаток темной материи, а позади ее переизбыток). Данный эффект называется «Пузырем Алькубьерре». Её реализацию вы могли видеть во вселенной сериала «Звездный путь».
Пока все это лишь слова. А реализацию двигателя искривляющего пространство мы увидим еще ой как нескоро. Или вообще не увидим. Ведь все проведенные эксперименты доказывают, что ни один материальный объект не может двигаться быстрее 299 792 458 м/с. И этому есть очень хорошее объяснение.
В соответствии с физической моделью, известной нам как пространственно–временной континуум, все тела, которые только существуют в нашей вселенной, находятся в системе координат. Где одна из осей это время, а другая это скорость перемещения в пространстве. Нужно принять как факт то, что все мы постоянно находимся в движении. Даже ты, мой дорогой читатель, если сидишь у себя дома в уютном кресле, читая эту статью, постоянно перемещаешься во времени со скоростью, как бы забавно и очевидно это не прозвучало, одна секунда в секунду.
Время можно представить как прямую с делениями, представляющими собой отрезки времени, как прошедшие так и предстоящие. Двигаться по этой оси назад или вперед по нашему желанию мы не можем, так как это противоречит модели пространственно-временного континуума.
Более наглядно проиллюстрировать наше движение во времени можно так: представьте, что вы едете в автомобиле, и у него внезапно отказывают тормоза. И все что находится у вас под контролем — это руль, благодаря которому вы можете управлять движением автомобиля по огромной, я бы даже сказал бесконечной трассе, под названием время. Вы не можете ни увеличить скорость, ни затормозить, ни поехать в обратную сторону. Все, что вам остается, это грамотно распоряжаться и обходить бесконечные препятствия на этой прямой.
Конечно, многие именитые ученые предполагают, что в пространственно–временном континууме могут существовать исключения, например «кротовые норы». Это своего рода туннели, через которые можно мгновенно перемещаться как в пространстве, так и во времени. На практике их существование еще не было доказано. Но, исходя из нюансов в специальной теории относительности и модели пространства-времени, некоторые части нашей огромной вселенной могут быть соединены друг с другом. Обнаружить их не удалось. Возможно из-за того, что они нестабильны, и имеют невероятно малые размеры.
Смоделировать кротовые норы в земных условиях не представляется возможным, так как энергии всего человечества не хватит на то, чтобы обеспечить даже одну самую маленькую кротовую нору требуемым количеством ресурсов. Кстати, этот нюанс делает невозможным и сверхсветовое перемещение.
Больше скорость, больше масса, больше энергии, меньше времени
Вернемся к нашей системе координат, где одной осью является время, а другой скорость перемещения в пространстве. Исследования показали, что при увеличении скорости, замедляется время, которое преодолевает объект. Установив на борт ракеты атомные часы, ученые выяснили, что время на них отставало от атомных часов установленных в лаборатории на Земле на несколько секунд.
Сам Эйнштейн описывал это удивительное явление и дал ему название «эффект релятивистского замедления времени»:
«Если в точке А находятся двое синхронно идущих часов, и мы перемещаем одни из них по замкнутой кривой с постоянной скоростью до тех пор, пока они не вернутся в А (на что потребуется, скажем, t сек), то эти часы по прибытии в А будут отставать по сравнению с часами, остававшимися неподвижными…»
Выходит, что увеличивая скорость перемещения в пространстве, мы будем жертвовать скоростью перемещения во времени. К примеру, прямая, идущая вдоль оси движения во времени, пока мы не двигаемся, находится в покое и никак не отклоняется. Но стоит нам увеличить скорость перемещения в пространстве на какое-то серьезное значение, как прямая движения во времени будет неумолимо наклонятся к нулю, попутно уменьшая количество времени проходимого за определенный отрезок расстояния. Пределом в данном случае и являются 300 000 км/с (та самая скорость света). Быстрее двигаться уже невозможно, так как за пределом координатной прямой нет ничего.
Помимо этого, невозможность сверхсветового перемещения еще связана с зависимостью массы объекта от скорости перемещения. Если разогнать самую простую частицу до скорости света, то её масса возрастет до бесконечности. А как мы знаем из курса школьной физики, для обеспечения движения объекта с большой массой требуется большое количество энергии. Найти такой источник в наших земных условиях не представляется возможным
Почему же тогда частицы электромагнитного излучения, известные нам как фотоны, могут перемещаться с такой скоростью? Ответ прост, потому что фотоны не имеют массы и обладают нулевым электрическим зарядом, как и все безмассовые частицы. Помимо фотонов, нам сегодня известно еще два вида частиц не имеющих массы — это гравитоны и глюоны. Последние, кстати относятся к семейству гипотетических частиц бозона, но это уже совсем другая история, о которой мы поговорим в будущем.
Источник: трешбокс ру
13K поста 42.8K подписчика
Правила сообщества
Какие тут могут быть правила, кроме правил установленных самим пикабу 🙂
Аналитическим путем пришел к выводу — надо выпить
пространство вселенной расширяется, и если взять два достаточно удаленные друг от друга объекта, то они будут удаляться друг от друга со скоростью большей чем скорость света.
Но к ограничению скорости света это никак не относится.
Помимо фотонов, нам сегодня известно еще два вида частиц не имеющих массы — это гравитоны и глюоны
Нам известны гравитоны?
Что-то обо всем и ни о чем.
«Установив на борт ракеты атомные часы, ученые выяснили, что время на них отставало от атомных часов установленных в лаборатории на Земле на несколько секунд»
На несколько СЕКУНД? Смахивает на пиздёж)
Намереваясь посвятить себя физике, будущий великий физик-теоретик Макс Планк в 1875 году обратился за советом к декану физического факультета Мюнхенского университета. «Физика — область знания, в которой уже почти все открыто. Все важные открытия уже сделаны. Едва ли вам имеет смысл поступать на физический факультет».
Через 30 лет мы откроем новые физические законы, который похерят всё, что мы знали раньше о Вселенной.
Писал длинный коммент к этому бреду, но случайно обновил страницу, и весь текст пропал. Как будто Всевышний защитил неокрепшие умы своей паствы от рациональной критики. Неужели недавнее присуждение звания почётного профессора РАН одному известному человеку начало приносить свои плоды?
Кхм, о чём это я.
В общем, не знаю, что за трэшбокс в источнике указан, но трэш — это весьма точное определение для данного поста.
Набирать текст заново я, конечно, не буду, оставлю только один пример:
И далее приводится замечательный график vOt c тремя отрезками, которые абсолютно никакого отношения к тексту не имеют.
Тут ошибка в самом подходе рассуждений. По современной теории относительности двигаться быстрее скорости света нельзя. И если поститать, какую энергию нужно затратить для разгона до скорости v, то энергия E -> бесконечности (inf) при v -> c.
Но на чем базируется сама теория? На наших наблюдениях. То, E -> inf, при v -> c мы наблюдаем. Частиц, которые двигаются быстрее скорости света мы не наблюдаем. Поэтому считаем, что их нет. И современные физические модели построены и хорошо описывают именно в этих проближениях. То, что физическая модель ломается если предположить, что частицы со скоростью v > c есть, не значит, что таких частиц быть не ножет. Модель это не закон природы, а наше его понимание.
Когда-то была модель Ньютона (с его тремя законами). На тот момент она не противоречила ни одному известному явлению или опыту. На, как сейчас уже известно, в определённых случаях (при больших скоростях) природа ведёт себя сильно иначе.
По подсчетам исследователей свой первый световой год аппараты преодолеют примерно через сорок тысяч лет.
У нас к этому времени Кадия нахрен подёт
Вспомнился фильм «Москва — Кассиопея»:
«Некий путешественник, ну скажем жучок, хочет попасть из одного конца трубки в другой, двигаясь вдоль неё, повторяя все её изгибы. Ему предстоит долгий путь. Но, если бы он знал, что трубка скатана в клубок, что цель его рядом с ним, ему было бы достаточно прогрызть стенки трубки и он — у цели!
— Будем верить, — засмеялся Филатов, что если не мы, то вы, когда-нибудь научитесь прогрызать дырки в пространстве!»
То есть инопланетяне к нам не прилетят? Не, ну нам то в России пох на инопланетян, они один хер только в Америку приземляются, но вы всё таки объясните, мне запас продовольствия можно начинать жрать?
Скорость света в вакуме 300 тыс км/сек. Свет не может быстрее распространяться потому что вакум не позволяет. Это его свойство.
Скоро обнаружим что вакуум находится ещё внутри чего-то где свет движется ещё быстрее. Уравнение Эйнштейна оно для этого вакума, а в новом уравнении будут другие буквы.
Как если бы рыбы считали скорость света только в воде, где она меньше и не знали про воздух, а тем более вакум.
Для тех кто не знал, космический вакум это нифига не пустота.
Короче говоря в космосе для парусов попросту нет ветра,от того и скорость набрать не может:)
Люблю человечество. Технически даже близко не могут подобраться к таким скоростям, но уже причитают, что физические законы не дают им превысить скорость света. Вот уж воистину мечтатели. Красавчики. Уважаю.
Щас загуглю статью, читала недавно о проекте исследования космоса миниатюрными «дронами», благодаря их малому размеру с помощью лазеров они смогут развивать скорость до четверти световой, а в перспективе и до половины. Меня тогда восхитила мысль, что такие малыши могу изучать нашу солнечную систему, а мы их даже не замечаем, потому что привыкли обращать внимание лишь на что-то гигантское.
зачем я прочитал всю эту ветку.
сука! время 2 часа ночи! завтра на работу
Без поля Геллера в варп не полезу.
Скорость гравитации быстрее скорости света, ведь свет не может преодолеть её поток
Спутанные кварки дрказывают, что есть взаимодействие быстрее скорости света. Но тс не в курсе, он просто копипастер, дрочит плюсцы, а в теме поста не разбирается совсем.
Скорость света конечна как абсолютный ноль ? Ну тогда надо не лететь быстрее,а наоборот лететь медленнее. Мы все куда то летим кружась вокруг чего то,вот надо эти скорости и вычитать в космосе. Что бы уменьшить свою относительную скорость по отношению к солнцу,галактике,метагалактике и прочая и прочая. Стоять на месте,а всё остальное пусть летит без нас.
Если скорость замедляет время, при этом увеличивается масса и тратится энергия, то давайте замедлять время — в итоге уменьшим массу, получим скорость и энергию. )) Типо как выше изображают землю с вогнутой плоскостью, а тут будет выпуклая где гравитация будет со значением минус
А а может пробивать дырку не через наше пространство, а в другое, в другой мир например, назовем его Зен, а потом возвращаться в другую точку нашего мира?
Тут столько умных человеков собралось.
А подскажите ка: скорость (и вообще движение) таки осталась относительной или нет?
Я вот одного не пойму, понятие времени привязано к солнечной системе, так ведь? Все жизненные циклы человека и не только, все его знания, привязаны к солнечной системе.
Как обстоят дела с понятием времени там далеко в ебенях, где солнечной системы нет и нет вообще никакой системы, только пустота?
Мне не даёт покоя фильм Пандорум.
Как представить скорость света. Придумал.
Пространство это белая простыня. Капнем чернилами точку в центре. Пятно начнёт растекаться по простыне, это будет как распространение света в пространстве. Пространство «впитывает» свет.
Теперь: мы летим на космическом корабле со скоростью света и включаем фары чтобы осветить путь впереди себя.
Мы на простыне, мы находимся на границе пятна, это наш корабль пачкает чистое пространство краской. и мы с «корабля» капаем ещё краски впереди себя. Краска не впитывается быстрее вперёд. Скорость конечна и не складывается.
Так что господа ученые хватит этих отговорок и лжепостов на пикабу идите работать!
Интересно, блин! ) Но ни хера не понятно.
МЫ НИ КОГДА НЕ СМОЖЕМ ЛЕТАТЬ НА ДРУГИЕ ПЛАНЕТЫ В ДРУГИХ СОЛНЕЧНЫХ СИСТЕМАХ. НАДО СМИРИТЬСЯ С ЭТИМ.)
То есть скорость выше скорости света всё таки возможна? Ого
Проблема в том, что прицепились к фотону, изучили его как смогли на данный момент, назвали скоростью света, поставили для себя ограничение. Кроме того, что в движении находится наша галактика, солнечная система, наша планета, в движении находится вся вселенная относительно того, что физика, используемая для изучения фотона не объясняет, так как скорости там выше.
Как к нам тогда прилетают инопланетяне, и, главное, зачем? (На чем известно — космические корабли)
У нашего водилы проблемы с желудочно-кишечным трактом на фоне ежевечернего поедания слабоалкогольных напитков типа «джин» и ему подобных. Он бы с таким утверждением поспорил. Если его приспичило, ощущение, что он в толчок просто телепортируется.
А откуда известно, что за пределами координат времени нет ничего? Точнее, нынешние теории говорят, что там нет ничего, но вполне возможно, через какое-то время (год или сто лет — не важно) появятся новые теории, говорящие об обратном. И вдруг выяснится, что при приближении к скорости света время на корабле замедляется всё больше и больше, пока в один момент не остановится и не пойдёт в обратную сторону (отрицательная сторона оси координат времени), т.е. пока теоретический космонавт не отправится в прошлое.
Солнце составляет 99,8% массы Солнечной системы
А именно 1 989 100 000 000 000 000 000 000 000 000 кг. Все остальные планеты, спутники, астероиды и другие материи, включая всех людей на Земле вмещаются в оставшиеся 0,2%.
Примерно так выглядела Солнечная система около 4,6 миллиардов лет назад
Фото сделано телескопом James Webb. На изображении – планетарная система Orion 294-606 в процессе создания. Система состоит из молодой звезды возрастом
1 миллиона лет, окруженной плотным газопылевым диском. Пылевой диск блокирует почти весь свет, исходящий непосредственно от звезды. Однако часть света, сияющего над полюсами звезды, рассеивается в пределах прямой видимости, образуя небольшие отражательные туманности, видимые по обе стороны от плоскости диска. Диск имеет размер около 300 а.е. в диаметре, что примерно в 5 раз больше расстояния от Солнца до Нептуна. В целом, эта система действительно очень похожа по размеру на нашу.
Всё человечество на одном снимке, кроме астронавта Майкла Коллинза
Майкла Коллинза сделал этот снимок в июле 1969 года в рамках миссии Аполлон-11
Фото дня: Джеймс Уэбб нашёл в космосе гигантский «отпечаток пальца»
Недавнее изображение, полученное космическим телескопом Джеймса Уэбба, демонстрирует замечательное космическое зрелище. Кольца, которые можно принять за оптический эффект, на самом деле реально существуют. Космический телескоп показывает по меньшей мере 17 пылевых колец, исходящих от звёздной системы Вольф-Райе 140.
Эта система расположена примерно в 5000 световых годах от Земли. В неё входит две звезды, которые периодически сближаются, двигаясь по своим орбитам. Звёздные ветра от обоих светил, встречаясь, сжимаются и образуя пыль. Орбиты звезд сближают их примерно раз в восемь лет — подобно росту годичных колец на стволе дерева, пылевые петли отмечают течение времени.
В NASA отметили, что раньше можно было наблюдать только два пылевых кольца с помощью наземных телескопов. Сейчас же, благодаря чувствительности нового телескопа, можно наблюдать уже 17. Сколько же их там на самом деле?
Звезда Вольфа-Райе — это звезда с массой как минимум в 25 раз превышающей массу нашего Солнца, которая приближается к концу своей жизни. С большой вероятностью в скором времени они коллапсируют и схлопываются в чёрную дыру.
Какое самое холодное место во вселенной?
Большая часть космического пространства очень холодная. Хотя Вселенная заполнена бесчисленным количеством звезд, излучающих тепло, огромное расстояние между ними означает, что температура в космосе чрезвычайно низкая.
Интересно, что в космосе есть места, которые на самом деле холоднее, чем пустое межзвездное пространство.
На сегодняшний день самым холодным известным местом во Вселенной является туманность Бумеранг (на фото), расположенная на расстоянии около 5000 световых лет от Земли в созвездии Центавра.
Средняя температура в туманности Бумеранг составляет минус 272,15 градусов по Цельсию.
Самая низкая возможная температура в физике называется абсолютным нулем, что эквивалентно минус 273,15 градуса по Цельсию. Это означает, что температура в туманности Бумеранг всего на один градус выше, чем самая низкая возможная температура нашей Вселенной.
Потенциально обитаемая планета-океан в 100 световых годах от Земли
Международная команда астрономов обнаружила экзопланету TOI-1452 b, которая вращается вокруг одной из звезд двойной системы. Она находится в «зоне обитаемости» своей звезды — на таком расстоянии, где не слишком жарко и не слишком холодно, из-за чего жидкая вода может стабильно присутствовать на поверхности планеты. Более того, ученые полагают, что вода покрывает ее целиком, делая TOI-1452 b потенциально обитаемой планетой-океаном.
Это не первая планета-океан, известная на сегодня, и даже не самая близкая к Земле. Однако TOI-1452b удобна для дальнейшего изучения, поскольку находится в поле зрения космического телескопа James Webb и наблюдать ее можно почти постоянно.
Голубая дымка вокруг Плутона, заснятая космическим аппаратом New Horizons
Помимо научного оборудования, на борту аппарата установлены: капсула с прахом астронома Клайда Томбо, компакт-диск с именами людей, участвовавших в акции NASA «Отправьте своё имя на Плутон», две монеты, два флага США и почтовая марка США 1990 года «Pluto: Not Yet Explored».
Странный наклон Урана вызван его давно потерянным спутником
Уран очень странный, и одна из самых странных вещей в нём – его наклон.
У Урана самый большой наклон в Солнечной системе – 98 градусов, что означает, что он вращается почти перпендикулярно направлению своей орбиты. Астрономы давно подозревали, что серия гигантских столкновений в начале формирования планеты перевернула Уран на бок, но новое исследование предполагает гораздо менее серьёзную причину: спутник Урана, который когда-то ушёл прочь.
Все планеты Солнечной системы имеют наклоны орбит менее 30 градусов, кроме Урана. Вся система Урана перевёрнута на бок, что влияет не только на вращение планеты, но и на её кольца и спутники, которые вращаются вокруг планеты перпендикулярно движению планеты вокруг Солнца.
Странный наклон Урана особенно странен, учитывая, что соседний ледяной гигант Нептун имеет нормальный наклон, несмотря на то, что у них, вероятно, схожая история формирования. Так что же пошло не так с Ураном?
Астрономы давно подозревали, что во время формирования Урана произошло по крайней мере одно гигантское столкновение. Это достаточно легко представить: правильное столкновение в нужное время дало бы достаточно энергии, чтобы оттолкнуть Уран, пока он всё ещё находился на своей протопланетной стадии формирования.
И у учёных есть некоторые доказательства, подтверждающие эту картину. В молодости Солнечная система была довольно жестоким местом, поэтому вокруг полно больших камней, способных сеять хаос. И Нептун действительно демонстрирует небольшие различия, такие как разная температура и набор спутников с разными характеристиками, что указывает на то, что две планеты находились в разных условиях в какой-то момент своего формирования.
Самая несчастливая планета
Но у гипотезы удара есть и слабые стороны.
Множество камней кружило вокруг ранней Солнечной системы в поисках удачной цели. Все планеты, особенно внешние, вероятно, претерпели множество столкновений во время своего формирования. Астероиды не пощадили даже внутренние планеты. На раннем этапе Земля столкнулась с протопланетой размером с Марс, что привело к формированию Луны.
Итак, если Уран получил достаточно сильный удар, чтобы опрокинуться, почему другие планеты не пострадали? Юпитер и Сатурн в конечном итоге образовали густые газовые облака, которые со временем могли вернуть их в вертикальное положение. Но у Нептуна была схожая история с Ураном, и, несмотря на небольшие различия, два ледяных гиганта очень похожи: у них похожие атмосферы, оба имеют запутанные магнитные поля и имеют схожие размеры, массы и скорости вращения.
У нас осталась дилемма. Возможно, бедняге Урану просто очень не повезло – и существуют модели, подтверждающие идею правильного удара, который наклоняет планету. Но “чистая удача” на самом деле не удовлетворяет типичного астронома; мы должны исчерпать все другие варианты, прежде чем прибегать к ней.
Так что, возможно, ответ не имеет ничего общего с воздействиями. Возможно, это связано со спутниками, как предполагает группа учёных в своей новой статье, принятой к публикации в журнале Astronomy and Astrophysics.
Потерянные дети
Ранняя Солнечная система не очень походила на Солнечную систему наших дней. В частности, планеты-гиганты, вероятно, образовались гораздо ближе друг к другу и гораздо ближе к Солнцу. Со временем взаимодействия между ними выбросили их наружу, причём Уран и Нептун мигрировали дальше всех.
Каждая из планет-гигантов имела определённый набор спутников, но эти спутники перетасовывались по мере миграции планет. Со всей сложной гравитационной динамикой некоторые планеты потеряли спутники, а другие приобрели новые.
Таким образом, Уран мог родиться с массивным спутником или быстро захватить его. И если бы спутник был достаточно большой, то он мог бы влиять на вращение планеты.
Уран, вероятно, начал со случайного, но небольшого наклона. Со временем этот наклон прецессировал, как это называют астрономы, и направление вращения планеты изменялось, подобно гигантскому волчку. Обычно прецессия наклона планеты не влияет на её спутник. Но спутник мог попасть в резонансный паттерн, в котором время, необходимое для прецессии, совпадало бы с целым числом оборотов спутника.
Этот резонанс позволил гравитационной силе спутника мягко притягивать планету, усиливая прецессию. Это похоже на невидимую нить, прикреплённую к вершине планеты: в течение миллионов лет этот наклон становился всё больше и больше. По мере того как это продолжалось, спутник неуклонно приближался бы к планете.
Исследователи обнаружили, что если бы у Урана когда-то был достаточно большой спутник, то через несколько сотен миллионов лет он был бы способен наклонить планету более чем на 80 градусов. Чтобы закончить работу, спутник затем врезался бы в Уран, зафиксировав наклон планеты на его нынешнем значении.
Этот сценарий объяснил бы, почему Уран так уникален: у него просто был достаточно большой спутник.
Представьте, что вы путешествуете на космическом корабле, движущемся со скоростью света
Так, расстояние от Земли до Луны вы преодолеете за 1,2 секунду. До Нептуна можно добраться за то же время, что лететь до Рима из Москвы на самолёте. А вот путешествие до ближайшей к нашей планете звезды Проксима Центавры займёт 4,22 года.
Кстати. Рекорд скорости, который был достигнут реальным космическим пилотируемым кораблем, равен 39,897км/ч. Это составляет лишь 0.0037% от скорости света.
Корабль, способный достичь БЛИЖАЙШИХ ЗВЁЗД
Звездное небо всегда привлекало человека своей неземной красотой. В его глубинах скрываются триллионы иных миров, временно недоступных для нас. Хоть наши исследовательские аппараты и побывали в самых разных уголках Солнечной Системы, преодолеть межзвездную бездну они пока не в силах. Чтобы сделать шаг к иным светилам, необходим космический двигатель нового поколения, мощный и долговечный, способный побороть притяжение Солнца и служить в течение всего многолетнего межзвездного путешествия. До недавнего времени подобные технологии казались фантастикой, однако, новые открытия делают их немного более вероятными. Давайте же попробуем разобраться, каким может стать гипотетический гиперпривод будущего?
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
Доказательства относительности
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.