Скорость света: почему ее нельзя превысить и как с помощью специальной теории относительности совершать крутые вещи
Безусловно, все начинается с введения. Не расстраивайтесь, я скоро переду к делу и обещаю, что введение не будет таким уж скучным. Во всяком случае, я постараюсь.
Представьте, что вы очутились на концерте любимого исполнителя. Все бы хорошо, но вот незадача – билет у вас на последний ряд, поэтому между музыкой и музыкантом образуется зазор. Или вот, вы вышли во двор дома посмотреть, как ваш сосед запускает салюты на Новый год. Как прирожденный физик, вы и тут замечаете, что между красивыми вспышками в небе и грохотом разорвавшихся петард проходит некоторое время. Звук распространяется весьма быстро, а свет – вы же наверняка на школьных уроках слышали, - еще быстрее. Свет – это самый быстрый бегун во Вселенной.
Пытливый человеческий народ всегда интересовался странными вещами. Галилею вот, например, в голову ударило посчитать скорость света – и ведь придумал, как это сделать. Эксперимент происходил примерно так: Галилей стоял на холмике со светильником, а его помощник со своим светильником уходил подальше от него и взбирался на другой холм. Галилей и помощник сигналили друг другу светильниками, т.е. то открывали шторку, то закрывали по очереди. Галилей надеялся, что если напарник будет от него на большом расстоянии, то можно будет посчитать скорость света. Ничего у Галилея не вышло, но мы все равно похвалим его за старания, потому что идея его была весьма близка к истине: скорость света либо бесконечно велика, ну или либо очень-очень велика.
В следующие несколько столетий физики оценивали скорость света с более высокой точностью, однако я предпочту опустить документальные факты и расчеты, чтобы не вводить вас в состояние стресса. Достаточно сказать, что чем дальше, тем сильнее физическому народу хотелось пролить свет на свет, как забавно это звучит. Позже несколько физиков, в том числе и дядюшка Эйнштейн предположили, что не важно, стоишь ты, бегаешь или прыгаешь, когда измеряешь скорость света – величина ее от этого не меняется. Они были правы. Мы пришли к выводу, что скорость света – это постоянная, иначе говоря, константа. Сейчас считается, что скорость света равна 299 792 458 метров в секунду (грубые люди округляют ее до 300 000 км/с). Логично предположить, что такую большую величину сложно будет измерить секундомером на вашем мобильнике, здесь нужны средства покруче.
Научный народ решил посчитать скорость света с максимальной точностью, поэтому использовал атомные часы, а именно часы на атомах цезия-133. Народ договорился, что секунду стоит определять как 9 192 631 770 времен излучения цезия-133. Все кажется очень сложно, однако по определённым причинам, для физиков это все упростило. Помните, что скорость – это отношение пути ко времени? Как измерить время, мы нашли. А вот расстояние? Эталоны метра здесь не помогут, потому что на самом деле, они вовсе не эталоны, поэтому мы, физики, пришли к классному решению проблемы - выразить метр через скорость света, и дело в шляпе. Берем те же часы и определяем метр как 1/299 792 458 долю того расстояния, которое проходит свет за одну секунду. Ну не суперски ли? Все пользуются одной системой измерения!
Однако не стоит забывать, что скорость света все-таки конечна. Я говорила, что физика – это целое искусство? Любое искусство порой вызывает взрыв эмоций и рамок привычного, поэтому сгруппируйтесь и приготовьтесь ко взрыву вашей привычной философии восприятия мира. Отчего весь восторг, раз скорость света не бесконечна? Дело в том, что раз она не бесконечна, то, стало быть, мы вечно смотрим в прошлое. Когда вы читаете этот текст с монитора своего устройства, вы видите свое устройство, каким оно было миллиардную долю секунды назад. Солнечный свет идет восемь минут до Земли, поэтому вот страшная сказка на ночь – если Солнце неожиданно взорвется, мы узнаем об этом только через 180 секунд. Ладно, давайте к хорошему – нам не нужна машина времени, по сути: когда мы смотрим на звездное небо, свету требуется сотни и тысячи лет, чтобы дойти до нас (я рассказывала про это в статейке «что было до большого взрыва») – смотря на звезды, мы смотрим на их прошлое. Добро пожаловать в реальность! После страшной сказки про Солнце каждому пассажиру полагается по кусочку тортика и успокаивающей картинке с котиком. Держите!
Наконец-то мы перешли к делу! Давайте сначала я расскажу вам, почему скорость света нельзя превысить и почему она такая особенная дама, а потом расскажу, как с этим связана специальная теория относительности и как построить машину времени.
Ни в одном эксперименте не была получена частица, которая бы двигалась быстрее скорости света. Если вы мой преданный фанат, как моя мама, которая сейчас наверняка это читает, вы помните, что в статье про элементарные частицы я говорила, что к скорости света можно только бесконечно приближаться, но никогда ее не достичь. И, возможно, я упоминала, что виной всему этому – масса. В теории относительности доказывается, что при увеличении скорости увеличивается и масса, вот весь секрет.
На малых скоростях это незаметно, но при приближении к скорости света масса растет, и на самом ее значении масса становится бесконечной (взгляните на график). Скорость набирать все сложнее и сложнее, и при бесконечной массе не хватит энергии даже всей вселенной, чтобы достигнуть скорости света, а преодолеть ее – и подавно. Именно поэтому мы не можем перемещаться со скоростью света, лишь только к ней бесконечно приближаться. Влияние массы можно привести на обыденном примере – если у вас есть лишний вес, то вам всяко сложнее бегать и разгоняться, неся вес своего тела, чем худому и поджарому человеку, у которого массы меньше.
Но как же тогда фотону, частичке света, удается бежать со скоростью света? У фотона просто нет массы, его ничего не ограничивает и не сдерживает. Ну и хитрец!
Но у скорости света, вернее, вообще у скорости как таковой, есть еще одно интересное свойство – и именно оно послужит объяснением, почему путешествовать со скоростью света невозможно (как будто вам этого не хватило).
Помните моего двойника Азилу из статьи про запутанность частиц? Давайте мы вместе с ней расскажем вам о вышеупомянутом свойстве.
Представим, что я еду в машине, вальяжно лежу на пассажирских сиденьях и ем конфеты. В какой-то момент во мне просыпается дух чудачества, и я начинаю аккуратно бросать фантики в направлении оконного стекла напротив меня, безудержно хихикая от такого глупого, но увлекательного занятия. Несмотря на то, что машина едет со скоростью 70 км/ч, я бросаю фантики так, как если бы машина стояла на месте – и это простейший физический опыт. Не знаю, замечали ли вы, в машине иногда не знаешь, едешь ли ты или стоишь, если не глядеть в окно. Допустим, окно было закрыто шторкой, поэтому я была несколько дезориентирована – однако это не мешало мне с удовольствием заниматься страшной ерундой.
Так что я, не зная, двигается ли машина или стоит, кидаю фантик и оцениваю его скорость, скажем, в 10 километров в час. Моя соратница Азила тоже участвует в фантикобросательных экспериментах: при помощи особых очков, которые позволяют видеть сквозь корпус автомобиля, Азила тоже измеряет скорость полета фантика, приговаривая: «Какая же моя двойник идиотка!» (надеюсь, что вы ко мне относитесь лучше, чем Азила).
С наблюдательного пункта вне машины Азила видит, что фантик движется со скоростью 80 км/ч (70 км/ч – это скорость машины, в которой еду я, плюс еще 10 км/ч – скорость фантика) Так кто же прав? Правы мы обе. Фантик движется со скоростью 10 километров в час относительно меня и 80 километров в час относительно Азилы.
Теперь давайте представим, что в машине есть ультрасовременная мини-лаборатория, оборудованная лазерами (вот это киберпанк, правда?). Так как лазерный луч сделан из света, то, естественно, он движется со скоростью света. В одном конце машины находится лазер, которым управляю я. В другом конце машины расположена банка с бабушкиным супчиком. Если я настрою лазер на короткие вспышки, - чтобы разогреть себе супчику, безусловно, я не террористка, - и измерю время, через которое суп начнет подогреваться, то я смогу вычислить скорость лазера и обнаружу тривиальную истину: скорость лазера равняется скорости света.
Давайте проведаем Азилу. Резонно предположить, что она определит, что вспышка света достигла детектора через такое же время. Я предчувствую, как у вас происходит когнитивный диссонанс – ведь по логике, свет должен двигаться со скоростью «скорость света + 70» км/ч! Как я уже говорила, дядюшка Эйнштейн предположил, что скорость света одинакова для всех наблюдателей, но по нашим рассуждениям луч света двигается совсем не со скоростью света, а больше! Поздравляю, мы нарушили законы физики. А еще поздравляю с тем, что временно – сейчас я все объясню. Давайте поближе познакомимся с дядюшкой Эйнштейном.
Как и Галилей, Эйнштейн предположил, что, если двигаться равномерно и прямолинейно, можно проделывать любые эксперименты, и их результаты будут неотличимы от результатов, сделанные в неподвижном положении. Также Эйнштейн предположил, что все наблюдатели оценивают скорость света в пустом пространстве одинаково, независимо от того, движутся ли они. Это два простых предположения, которые Эйнштейн обнародовал для принципов специальной теории относительности. Если Эйнштейн был прав, значит, я измерю, что лазерный луч движется со скоростью света, и Азила намерит ту же самую скорость.
Теперь давайте совсем уйдем в фантастику и улучшим наш пример с машиной: мне подарили межгалактический автомобиль-звездолет. Длиной он будет всего в одну световую секунду, однако это прекрасно позволит мне найти место для «полежать» и место, чтобы провести эксперимент с лазером. Я стреляю из лазерной пушки с одного конца звездолета, и по моим соображениям, лазеру потребуется одна секунда, чтобы пролететь звездолет из конца в конец. Это же тривиально – свет движется со скоростью света, не так ли?
Однако Азила наблюдает лазерный луч в движущемся звездолете и говорит (справедливо, замечу), что пока луч летел, передняя стенка звездолета тоже двигалась, и, следовательно, согласно ее выводам, луч пролетел дальше, чем по моим расчетам. То есть, Азила обнаруживает, что луч пролетел всего 1,5 световые секунды. Поскольку свет должен двигаться со скоростью света (еще бы!), Азила делает вывод, что вспышка света добиралась от лазера до цели, то есть, супчика, 1,5 секунды.
Давайте еще раз. Я говорю, что определенная последовательность событий, которую я сделала, заняла одну секунду, а Азила говорит, что та же последовательность событий заняла больше времени. У обеих из нас были одинаковые сверхточные и надежные, как пружина от дивана, приборы для расчета, и обе мы делали вычисления одинаково точно (мы же двойники!). Так кто же прав?
Мы обе. Стойте, подождите…ЧЕГО?!
Нет, серьезно. Если скорость света одинакова для нас обеих, значит, Азила должна объяснять то, что она наблюдает тем, что у нее спешат часы, либо же часы отстают у меня. Самое невероятное в том, что отстают все часы в моем звездолете. Азила видит, что часы тикают медленно, и даже мое сердечко бьется медленнее обычного (если есть, чем это измерить).
Это общий закон. Когда вы видите, как мимо вас кто-то проносится, имейте в виду, что с вашей точки зрения, их часы будут идти медленнее – просто для этого нужны достаточно точные часы, чтобы это доказать. Если вы поднимите голову и увидите самолет, и у вас есть супер-бинокль, чтобы увидеть часы в кабине пилота, то вы удивитесь – часы пилота будут идти на одну десяти триллионную долю секунды быстрее, чем ваши! Так что этот закон, называемый законом замедления времени, действует всегда, хотя в обычной жизни мы его никогда не заметим.
Замедление времени начинает сказываться в полной мере, только когда движешься на скорости, близкой к скорости света. Если звездолет двигается в половину скорости света, то за каждую секунду на моих часах проходит 1,15 секунды на часах Азилы. При 90% скорости света на каждую мою секунду я насчитаю 2,3 секунды Азилы. И чем ближе скорость приближается к скорости света, тем больше будет разница. Когда звездолет разгоняется до скорости света, фактор замедления времени становится бесконечным, что и служит нашим подтверждением того, что путешествовать со скоростью света невозможно. И дело вовсе не во времени. Давайте представим, что я иду по звездолету со скоростью, представляющей собой заметную долю скорости света (извините, просто мама позвонила, а телефон в другом конце звездолета! J) Представим еще, что Азила сидит рядом с телефоном и уже готова мне его подать. Так вот, с собственной точки зрения, я прохожу это расстояние за более короткое время, чем с точки зрения Азилы. Время и пространство на самом деле зависят от того, как вы двигаетесь. И это не парадокс – так устроена наша Вселенная.
А вспоминая замедление времени, упомянутое выше – вот вам и машина времени! Допустим, я, в душе своей на самом деле прирожденный мечтатель, хочу своими глазами увидеть, как далеко зайдет прогресс науки. Азила остается на Земле, а я улетаю на некоторый период времени в космос на околосветовой скорости, чтобы отдохнуть от родной планеты и подумать о жизни. Учитывая замедление времени, после моего длительного отсутствия, возвращаясь на Землю, я обнаружу, что по Земным меркам я отсутствовала на этой планете гораздо, гораздо-гораздо дольше, чем по моим меркам. Азила к этому времени стала, наверное, совсем старушкой. Интересно, что нового изобрело человечество к этому времени!
Другими словами, машину времени строить не надо. Достаточно улететь на околосветовой скорости в гости к другим галактикам, и по возвращению вы вернетесь, грубо говоря, (для вас) в Земное будущее. Круто же, а?