Почему нельзя превысить скорость света
Просто о сложном: почему скорость света максимальна?
Мы частенько говорим о том, что скорость света максимальна в нашей Вселенной, и что нет ничего, что могло бы двигаться быстрее скорости света в вакууме. И уж тем более — мы. Приближаясь к околосветовой скорости, объект приобретает массу и энергию, которая либо его разрушает, либо противоречит общей теории относительности Эйнштейна. Допустим, мы поверим в это и будем искать обходные пути (вроде создания варп-двигателя или будем разбираться в парадоксах квантовой механики), чтобы лететь к ближайшей звезде не 75 000 лет, а пару недель. Но поскольку мало кто из нас обладает высшим физическим образованием, непонятно: почему на улицах говорят, что скорость света максимальна, постоянна и равна 300 000 км/с?
Есть много простых и интуитивных объяснений, почему все так, но их можно начинать ненавидеть. Поиск в Интернете выведет вас на понятие «релятивистской массы» и на то, что она требует больше сил для ускорения объекта, который и так движется с высокой скоростью. Это привычный способ интерпретации математического аппарата специальной теории относительности, но он вводит многих в заблуждение, и особенно вас, наши дорогие читатели. Поскольку многие из вас (да и нас тоже) пробуют высокую физику на вкус, словно погружая один палец в ее соленую воду, прежде чем войти искупаться. В результате, Вселенная становится куда более сложной и менее красивой, чем является на самом деле.
Давайте обсудим этот вопрос с точки зрения геометрической интерпретации, которая согласуется с общей теорией относительности. Она менее очевидна, но немногим сложнее, чем рисование стрелочек на бумаге, поэтому многие из вас с полуслова поймут теорию, которая скрывается за абстракциями вроде «силы» и откровенного вранья вроде «релятивистской массы».
Во-первых, давайте определим, что такое направление, чтобы четко обозначить свое место. «Вниз» — это направление. Оно определяется как направление, в котором падают вещи, когда вы их отпускаете. «Вверх» — это направление, противоположное направлению «вниз». Возьмите в руки компас и определите дополнительные направления: север, юг, запад и восток. Все эти направления определяются серьезными дядями как «ортонормированный (или ортогональный) базис», но об этом сейчас лучше не думать. Давайте предположим, что эти шесть направлений являются абсолютными, поскольку они будут существовать там, где мы будем разбирать наш сложный вопрос.
А теперь давайте добавим еще два направления: в будущее и в прошлое. Вы не можете с легкостью двигаться в этих направлениях по собственному желанию, но представить их для вас должно быть достаточно просто. Будущее — это направление, где наступает завтра; прошлое — направление, где находится вчера.
Эти восемь основных направлений — вверх, вниз, север, юг, запад, восток, прошлое и будущее — описывают фундаментальную геометрию Вселенной. Каждую пару этих направлений мы можем назвать «измерением», поэтому мы живем в четырехмерной Вселенной. Другой термин для определения этого четырехмерного понимания будет «пространство-время», но мы постараемся избежать использования этого термина. Просто запомните, что в нашем контексте «пространство-время» будет равнозначно понятию «Вселенная».
Пожалуйте на сцену. Давайте посмотрим на актеров.
Сидя сейчас перед компьютером, вы находитесь в движении. Вы его не чувствуете. Вам кажется, что вы в состоянии покоя. Но это только потому, что все вокруг относительно вас тоже движется. Нет, не подумайте, что мы говорим о том, что Земля кружится вокруг Солнца или Солнце движется по галактике и тянет нас за собой. Это, конечно, так, но мы сейчас не об этом. Под движением мы имеем в виду движение в направлении «будущее».
Представьте, что вы находитесь в вагоне поезда с закрытыми окнами. Вы не можете видеть улицу и, допустим, рельсы настолько безупречны, что вы не чувствуете, едет поезд или нет. Поэтому, просто сидя внутри поезда, вы не можете утверждать, едете вы или нет на самом деле. Выгляните на улицу — и поймете, что пейзаж проносится мимо. Но окна закрыты.
Есть только один способ узнать, двигаетесь вы или нет. Просто сидеть и ждать. Если поезд будет стоять на станции, ничего не произойдет. Но если поезд движется, рано или поздно вы приедете на новую станцию.
В этой метафоре вагон представляет собой все, что мы можем увидеть в окружающем нас мире — дом, кота Ваську, звезды на небе и т.п. «Следующая станция — Завтра».
Если вы будете сидеть неподвижно, а кот Васька безмятежно спать свои положенные в сутки часы, вы не почувствуете движения. Но завтра обязательно придет.
Вот что значит двигаться в направлении будущего. Только время покажет, что правда: движение или стоянка.
Пока вам должно было довольно просто все это представлять. Возможно, сложно думать о времени как о направлении и уж тем более о себе — как о проходящем сквозь время объекте. Но вы поймете. Теперь включите воображение.
Представьте, что когда вы едете в своем автомобиле, случается что-то страшное: отказывают тормоза. По странному совпадению в тот же момент заклинивает газ и коробку передач. Вы не можете ни ускориться, ни остановиться. Единственное, что у вас есть — рулевое колесо. Вы можете изменить направление движения, но не его скорость.
Конечно, первое, что вы сделаете, это попытаетесь въехать в мягкий куст и как-нибудь аккуратно остановить автомобиль. Но давайте пока не будем пользоваться таким приемом. Просто сосредоточимся на особенностях вашего неисправного автомобиля: вы можете изменить направление, но не скорость.
Вот так мы движемся сквозь Вселенную. У вас есть руль, но нет педали. Сидя и читая эту статью, вы катитесь в светлое будущее на максимальной скорости. И когда вы встаете, чтобы сделать себе чайку, вы изменяете направление движения в пространстве-времени, но не его скорость. Если вы будете очень быстро двигаться по пространству, время будет течь немного медленнее.
Это легко представить, нарисовав пару осей на бумаге. Ось, которая будет идти вверх и вниз — это ось времени, вверх — значит в будущее. Горизонтальная ось представляет пространство. Мы можем нарисовать только одно измерение пространства, поскольку лист бумаги двухмерен, но давайте просто представим, что это понятие относится ко всем трем измерениям пространства.
Нарисуйте стрелку с начала оси координат, где они сходятся, и направьте ее вверх вдоль вертикальной оси. Неважно, насколько длинной она будет, просто имейте в виду, что у нее будет только одна длина. Эта стрелка, которая сейчас направлена в будущее, представляет собой величину, которую физики называют «четыре-скоростью». Это скорость вашего передвижения по пространству-времени. Прямо сейчас вы находитесь в неподвижном состоянии, поэтому стрелка направлена только в будущее.
Если вы хотите двигаться сквозь пространство — направо по оси координат — вам нужно изменить вашу четыре-скорость и включить горизонтальный компонент. Получается, вам нужно повернуть стрелку. Но как только вы это сделаете, вы заметите, что стрелка уже не так уверенно указывает наверх, в будущее, как до этого. Теперь вы движетесь сквозь пространство, но вам пришлось пожертвовать движением в будущем, поскольку стрелка четыре-скорости может только вращаться, но никогда не растягиваться или сжиматься.
Отсюда начинается знаменитый эффект «замедления времени», о котором говорят все, хоть немного посвященные в специальную теорию относительности. Если вы движетесь в пространстве, вы не движетесь во времени так быстро, как могли бы, если бы сидели на месте. Ваши часы будут отсчитывать время медленнее, нежели часы человека, который не движется.
А теперь мы подходим к разрешению вопроса, почему фраза «быстрее света» не имеет смысла в нашей вселенной. Смотрите, что происходит, если вы хотите двигаться по пространству как можно быстрее. Вы поворачиваете стрелку четыре-скорости до упора, пока она не будет указывать вдоль горизонтальной оси. Мы помним, что стрелка не может растягиваться. Она может только вращаться. Итак, вы увеличили скорость в пространстве насколько это возможно. Но стало невозможным двигаться еще быстрее. Стрелку некуда повернуть, иначе она станет «прямее прямого» или «горизонтальнее горизонтального». Вот к этому понятию и приравнивайте «быстрее света». Это просто невозможно, как накормить тремя рыбками и семью хлебами огромный народ.
Вот почему в нашей вселенной ничто не может двигаться быстрее света. Потому что фраза «быстрее света» в нашей вселенной эквивалентна фразе «прямее прямого» или «горизонтальнее горизонтального».
Да, у вас осталось несколько вопросов. Почему векторы четыре-скорости могут лишь вращаться, но не растягиваться? На этот вопрос есть ответ, но он связан с инвариантностью скорости света, и мы оставим его на потом. И если вы просто поверите в это, то будете чуть менее информированы по этому вопросу, чем самые блестящие физики, когда-либо существовавшие на нашей планете.
Скептики могут усомниться, почему мы используем упрощенную модель геометрии пространства, говоря об эвклидовых вращениях и кругах. В реальном мире геометрия пространства-времени подчиняется геометрии Минковского, а повороты являются гиперболическими. Но простой вариант объяснения имеет право на жизнь.
Как и простое объяснение тому, что такое бозон Хиггса.
Почему нельзя превысить скорость света?
В большом адронном коллайдере фотоны разгоняются до скорости 299 792 455 м/с. Это всего на три метра в секунду меньше скорости света. Всего три метра в секунду, неужели, нельзя чуть поднажать и разогнать фотоны выше скорости света?
Статья по теме
Ответ: нельзя. Даже теоретически ни один объект не может двигаться быстрее. И этому есть объяснение. Если коротко, во вселенной абсолютно все двигается с этой скоростью и не может ее превысить.
Для начала стоит отметить, что согласно теории относительности, при увеличении скорости растет и масса. На малых скоростях это не заметно, но при приближении к скорости света она начинает стремительно расти. Разгоняться будет сложнее и сложнее, и энергии всей вселенной не хватит, чтобы увеличивать скорость дальше.
Вот только увеличение массы объясняет не все. Например, почему фотоны – безмассовые частицы – также не могут развить скорость света? Дело в самом устройстве пространства и времени, которое мы часто представляем неправильно. Отталкиваться стоит от того, что мы живем в четырехмерном мире. Кроме трех пространственных измерений, у нас есть еще время.
Для начала возьмем двухмерный мир, где ось х – это пространственная координата, а t – временная. Допустим, какой-то объект перемещается вдоль оси х. Мы можем обозначать его положение в каждый момент времени. Все эти точки образуют так называемую мировую линию.
Если что-то покоится, его мировая линия – это вертикальная прямая, если объект движется, то наклонная. Чем больше скорость, тем больше наклон, потому что за меньшее количество времени преодолевается большее расстояние. Можно даже обозначить наклон, соответствующий скорости света.
Получается, что в нашей реальности не существует неподвижных объектов . И статичные и динамичные объекты передвигаются по оси времени.
Теперь начинается самое интересное, мы переходим к четырехмерному миру и к ответу на вопрос, почему нельзя превысить скорость света. Если пространство четырехмерное, то и скорость тоже должна быть четырехмерной. Ее называют 4-скорость.
На нашем графике – это будет касательная к мировой линии. 
Но лучше сделать другой график, где будет видно ее составляющие.
Если вы сидите и ничего не делаете, то перемещаетесь только во времени. Со скоростью одна секунда в секунду. Если начать движение, то появится другая составляющая (скорость в пространстве) и вектор 4-скорости будет наклонен. И оказывается, что размер 4-скорости всегда один и тот же – она равняется скорости света. То есть мы все абсолютно всегда несемся в пространстве и времени с одной и той же 4-скоростью. И ни увеличить, ни уменьшить, мы ее не можем. Единственная возможность – менять ее направление. Если начать двигаться, мы ничего не добавляем к 4-скорости, мы просто изменяем ее наклон.
Чем быстрее мы движемся, тем больше наклон.
Отметим, что чем больше скорость движения в пространстве, тем меньше скорость движения во времени – это и есть тот эффект замедления времени, которым знаменита теория относительности.
Когда 4-скорость достигнет горизонтали на графике, она станет равна скорости света. И как не поворачивай 4-скорость, больше ей уже не стать. Вот он предел. Он следует напрямую из свойств нашего мира.
Почему нельзя превысить скорость света?
Это Большой Адронный Коллайдер, самый мощный ускоритель элементарных частиц в мире на данный момент. Он разгоняет пучки протонов до чудовищно огромной скорости 299 792 455 м/с. Это реально много, сравните со скоростью света: 299 792 458 м/с. Всего 3 м/с не хватает, чтобы они неслись так же, как фотоны!
И 3 м/с, серьезно? Это же вообще пфф. скорость бега трусцой! Неужели нельзя чуть-чуть там подкрутить что-то, подбавить мощности, и разогнаться быстрее скорости света?
Увы, это невозможно. Даже теоретически ни один материальный объект не может двигаться быстрее скорости света в вакууме. Это закон, и ни в одном эксперименте отклонений от него не обнаружено.
Но есть этому объяснение? Почему во Вселенной вообще существует ограничение на скорость? Почему мы не можем разгоняться, разгоняться и разгоняться, если у нас достаточно энергии? Неужели остановит вот такая полиция скорости света?
Но, кроме шуток, объяснение этому есть. И я считаю оно одно из самых красивых и элегантных в физике. Дело в том, что во Вселенной абсолютно все движется со скоростью света . Звучит бредово и невероятно, но, обо всем по-порядку!
Масса
Для начала нужно отметить, что согласно теории относительности, с ростом скорости увеличивается масса.
На малых скоростях это незаметно, но при приближении к скорости света она увеличивается до бесконечности! И при разгоне не хватит энергии даже всей Вселенной, чтобы хотя бы достичь световой скорости! Тем более, ее преодолеть! Вот такое фундаментальное ограничение. Так что при разгоне энергия будет тратиться не на увеличение скорости, а на увеличение массы.
Хочу успокоить тех, кто бегает, чтобы сбросить лишний вес. Не переживайте, как только вы остановитесь, масса уменьшится до обычного значения. Главное на весах не двигайтесь слишком быстро.
Вот только увеличение массы объясняет не все. Например, почему фотоны, безмассовые частицы, тоже никогда скорости света не превышают? Оказывается, само пространство и время устроены совершенно не так, как мы обычно себе представляем. Но если понять их истинную суть, все становится на свои места!
Четвертое измерение — время
Отталкиваться нужно от того, что мы живем в четырехмерном мире. Помимо трех пространственных измерений (длины, ширины и высоты) есть еще одно, временное.
Давайте для удобства возьмем только одну пространственную координату, и одну временную, Х и Т.
Допустим, какой-то объект перемещается вдоль оси Х. Мы можем обозначать его положения в каждый момент времени. Все они будут образовывать, так называемую, мировую линию . Заметьте, это не траектория объекта в пространстве, он движется только влево или вправо. Это его положение в разные моменты времени.
Если что-то покоится, его мировая линия – вертикальная прямая. Если движется, то наклонная. Чем больше скорость, тем больше наклон, потому что за один и тот же промежуток времени преодолевается большее расстояние. Можно даже обозначить наклон, соответствующий скорости света. Или скорости Флеша, например. Как видите, он даже быстрее!
И самое интересное, что в нашем мире нет неподвижных объектов! Даже если Вы сейчас сидите у компьютера, то у Вас тоже есть скорость! Только Вы перемещаетесь не в пространстве, а во времени, вдоль временной оси. Но это присуще и подвижным телам тоже.
Если на этом этапе все понятно, начинается самое интересное! Теперь мы готовы к ответу на вопрос «Почему скорость света максимальна?», и он вас точно удивит!
4-скорость
Дело в том, что раз мы в четырехмерном пространстве, то и скорость тоже четырехмерная. Ее называют 4-скорость . Она показывает, как быстро тело движется в пространстве-времени. Ее можно обозначать на графике, она направлена по касательной к мировой линии:
Но мы начертим для 4-скорости другой график, где будем раскладывать ее на составляющие. По горизонтальной оси будет откладываться компонента движения в пространстве (то есть обычная скорость). По вертикальной оси – компонента движения в времени. Тут посложнее, но сейчас разберемся. Главное, что две составляющих образуют вектор 4-скорости.
Источники:
https://hi-news.ru/science/prosto-o-slozhnom-pochemu-skorost-sveta-maksimalna.html
https://futurist.ru/news/6106
https://zen.yandex.ru/media/id/5c1780145bee8800a916afc6/5ddfac84fc69ab00af4c65bb
