В сентябре 2011 года физик Антонио Эредитато потряс мир, сделав заявление, которое могло перевернуть наше понимание Вселенной. Согласно данным, собранным 160 учеными, работающими над проектом OПЕРА, было сделано заявление, что частицы «нейтрино» движутся быстрее света. Но это, согласно теории относительности Эйнштейна, невозможно. Несмотря на то, что физик Эредитато и его команда «доверяют» своему результату, они не утверждали, что результат был абсолютно точным. Напротив, они попросили других ученых помочь им разобраться в том, что происходит.
Последствия такого открытия могли быть невероятными, что могло повлечь за собой пересмотр самих основ физики. Но в итоге выяснилось, что результат проекта ОПЕРЫ был неверным. Проблема синхронизации была вызвана плохо подключенным кабелем, который должен был передавать точные сигналы от спутников GPS. Произошла неожиданная задержка сигнала. Как следствие, измерения того, сколько времени потребовалось нейтрино для прохождения данного расстояния, были отключены примерно на 73 наносекунды, из-за чего все выглядело так, будто они просвистели быстрее, чем это сделал свет.
Несмотря на месяцы тщательных проверок перед экспериментом и обильной двойной проверкой данных впоследствии, на этот раз ученые ошиблись. Физик Эредитато подал в отставку, хотя многие отмечали, что подобные ошибки все время случаются в чрезвычайно сложном механизме ускорителей частиц.
Почему предположение, что нечто может двигаться быстрее света, вызвало такой ажиотаж? И действительно ли мы уверены в том, что ничто не способно преодолеть этот показатель?
Давайте сначала рассмотрим второй из этих вопросов. Скорость света в вакууме составляет 299 792 458 км / с, что немного похоже на круглую цифру в 300 000 км / с. Это весьма быстро. Солнце находится на расстоянии 150 миллионов километров от Земли, и свету требуется всего восемь минут и 20 секунд, чтобы пройти этот путь.
Может ли какое-либо из наших «творений» конкурировать в гонке со светом? К примеру, один из самых быстрых когда-либо созданных человеком объектов — зонд New Horizons, предназначенный для изучения Плутона и его естественного спутника Харона (запуск осуществлён 19 января 2006 года) достиг скорости относительно Земли чуть более 16 км / с, что значительно ниже 300 000 км / с.
Тем не менее, ученые заставили крошечные частицы путешествовать намного быстрее. В начале 1960-х годов Уильям Бертоцци из Массачусетского технологического института экспериментировал с ускорением электронов с большими скоростями. Поскольку у электронов есть отрицательный заряд, то возможно продвинуть или, скорее, «оттолкнуть» их, применяя тот же самый отрицательный заряд к материалу. Чем больше приложенной энергии, тем быстрее электроны будут ускоряться.
Вы могли бы себе представить, что вам просто нужно увеличить приложенную энергию, чтобы достичь необходимой скорости 300 000 км / с? Но на практике оказывается, что электроны просто не могут двигаться так быстро. Эксперименты Бертоцци показали, что использование большего количества энергии просто вызывает прямо пропорциональное увеличение скорости электрона. Вместо этого ему нужно было прикладывать все большее количество дополнительной энергии, чтобы хоть немного изменить скорость движения электронов. Они приближались к скорости света, но так и не достигли ее.
Представьте, что вы движетесь к двери небольшими шажками, в каждом из которых вы проходите ровно половину расстояния между вашим текущим положением и дверью. Строго говоря, вы никогда не доберетесь до двери, потому что после каждого вашего шага у вас будет оставаться дистанция, которую нужно преодолеть. Именно с такой проблемой Бертоцци столкнулся со своими электронами.
Свет состоит из частиц, называемых фотонами. Почему эти частицы могут путешествовать со скоростью света, а такие частицы, как электроны, не могут?
Физик Роджер Рассул из Мельбурнского университета в Австралии говорит о том, что по мере того, как объекты движутся все быстрее и быстрее, они становятся все тяжелее и тяжелее. Чем тяжелее они становятся, тем труднее добиться ускорения, поэтому объекты никогда не достигнут скорости света. «Фотон на самом деле не имеет массы»,— говорит физик. «Если бы он имел массу, он не мог бы двигаться со скоростью света».
Фотоны особенные. У них не только отсутствует масса, что обеспечивает им полную свободу перемещений в космическом вакууме, им еще и разгоняться не нужно. Естественная энергия, которой они располагают, перемещается волнами, как и они, поэтому в момент их создания они уже обладают максимальной скоростью. В некотором смысле проще думать о свете как о энергии, а не как о потоке частиц, хотя, по правде говоря, свет является и тем и другим. Тем не менее, иногда кажется, что свет движется медленнее, чем мы могли бы ожидать. Хотя Интернет-техники любят говорить о коммуникациях, которые работают «на скорости света» в оптоволокне, на самом деле свет проходит через оптоволокно примерно на 40% медленнее, чем через вакуум.
В действительности фотоны все еще движутся со скоростью 300 000 км / с, но они сталкиваются с некоторой интерференцией, вызванной высвобождением других фотонов из атомов стекла, когда проходит главная световая волна. Это сложная концепция, чтобы описать ее в нескольких предложениях, но ее важно отметить.
Тем не менее, в большинстве своем справедливо говорить о том, что свет движется со скоростью 300 000 км / с. Мы действительно не наблюдали и не создали ничего, что могло бы идти так быстро или даже быстрее. Есть особые моменты, но прежде чем мы их коснемся, давайте затронем другой наш вопрос.Почему так важно, чтобы правило скорости света выполнялось строго? Ответ дан человеком по имени Альберт Эйнштейн. Его теория относительности исследует множество последствий его универсальных пределов скорости.
Одним из важных элементов в теории является идея, что скорость света является постоянной. Независимо от того, где вы находитесь или как быстро вы путешествуете, свет всегда движется с одинаковой скоростью. Но это создает некоторые концептуальные проблемы. Представьте себе свет от факела до зеркала на потолке неподвижного космического корабля. Свет будет светить вверх, отражаться от зеркала и падать на пол космического корабля. Допустим, пройденное расстояние составляет 10 метров. Теперь давайте представим, что космический корабль начинает двигаться с невероятной скоростью, многие тысячи километров в секунду. Когда вы снова зажжете факел, свет все равно будет вести себя как и прежде: он будет светиться вверх, попадать в зеркало и отскакивать, падая на пол. Но чтобы сделать это, свет должен двигаться по диагонали, а не только по вертикали, ведь зеркало теперь быстро движется вместе с космическим кораблем. Поэтому расстояние, которое проходит свет, увеличивается. Давайте представим, что оно увеличилось в целом на 5 м. Это всего 15 м, а не 10 м.
И все же, хотя расстояние увеличилось, теория Эйнштейна настаивает на том, что свет все еще движется с той же скоростью. Поскольку скорость — это расстояние, деленное на время, то для того, чтобы скорость была такой же, при увеличенном расстоянии, время также должно увеличиться. Именно, само время должно возрасти. Это звучит странно, но это было доказано экспериментально. Явление известно как «Релятивистское замедление времени», и означает, что время движется медленнее для людей, путешествующих на быстро движущихся транспортных средствах, по сравнению с теми, кто стоит на месте.
Например, время астронавтов на Международной космической станции, которая движется со скоростью 7,66 км / с относительно Земли, медленнее на 0,007 секунды по сравнению с людьми на планете. А к примеру, для частиц, таких как электроны, упомянутые выше, и которые могут путешествовать близко к скорости света, степень замедления времени может быть большой.
Стивен Колтхаммер, физик-экспериментатор из Оксфордского университета в Великобритании, указывает на пример с частицами, называемыми мюонами. Мюоны нестабильны: они быстро распадаются на более простые частицы. Это происходит так быстро, что большинство мюонов, покидающих Солнце, по идее должны были распасться к тому времени, когда они достигают Земли. Но в действительности мюоны прибывают на Землю с Солнца в огромных количествах. Физики долгое время пытались понять почему. Ответ на эту загадку заключается в том, что мюоны генерируются с такой энергией, что они движутся со скоростями, очень близкими к скорости света. Так что их «чувство времени», их «внутренние часы» на самом деле работают медленно. Мюоны «остаются в живых» дольше, чем ожидалось, относительно нас, благодаря настоящему, естественному искривлению времени.
Когда объекты движутся быстро относительно других объектов, их длина также уменьшается. Эти последствия — замедление времени и сокращение длины, являются примерами того, как пространство-время изменяется в зависимости от движения таких вещей, как вы, или я, или космический корабль, обладающих массой.
Важно отметить, что, как сказал Эйнштейн, свет не подвержен такому же влиянию, потому что он не имеет массы. Вот почему эти принципы идут рука об руку. Если бы предметы могли двигаться быстрее света, то «они» бы не подчинялись этим фундаментальным законам, которые описывают, как работает Вселенная. Это ключевые принципы.
Теперь мы можем поговорить о нескольких исключениях и отступлениях.
С одной стороны, хотя мы не видели ничего, что двигалось бы быстрее света, это не означает, что этот предел скорости нельзя теоретически побить в весьма специфических условиях. Взять, к примеру, расширение самой Вселенной. Во Вселенной есть галактики, удаляющиеся друг от друга со скоростью, превышающей скорость света.
Другая интересная ситуация касается частиц, которые разделяют одни и те же свойства в одно и то же время, независимо от того, как далеко находятся друг от друга. Это так называемая «квантовая запутанность». Фотон будет вращаться вверх и вниз, случайно выбирая из двух возможных состояний, но выбор направления вращения будет точно отражаться на другом фотоне где-либо еще, если они запутаны. Поэтому два ученых, каждый из которых изучает свой собственный фотон, получат одинаковые результаты одновременно, быстрее скорости света.
Однако в обоих этих примерах важно отметить, что никакая информация не распространяется быстрее, чем скорость света между двумя объектами. Мы можем рассчитать расширение Вселенной, но мы не можем наблюдать в ней какие-либо объекты, превышающие скорость света: они исчезают из поля зрения. Что касается двух ученых с их фотонами, то, хотя они могли бы достигнуть того же самого результата одновременно, они не могли подтвердить этот факт друг с другом быстрее, чем свет мог путешествовать между ними.
Существует еще один возможный путь, с которым технически возможно путешествие быстрее света: разрывы в самом пространстве-времени, которые позволяют путешественнику избежать правил обычного путешествия.
Физик Джеральд Кливер из Университета Бэйлор в Техасе рассмотрел возможность того, что когда-нибудь мы сможем построить космический корабль со скоростью, превышающей скорость света. Одним из способов сделать это может быть путешествие через «кротову нору» («wormholes»). Это петли в пространстве-времени, полностью соответствующие теориям Эйнштейна, которые могут позволить астронавту перепрыгивать с одной точки Вселенной на другую через аномалию в пространстве-времени, как своего рода космического «короткого пути».
Объект, путешествующий через «кротову нору», не будет превышать скорость света, но теоретически он может достичь определенного пункта назначения быстрее, чем свет, если он пойдет по «нормальному» маршруту. Но «кротовы норы» могут быть недоступны для космических путешествий.
Может ли быть другой способ активно исказить пространство-время, чтобы двигаться быстрее 300 000 км/c относительно кого-нибудь еще?
Кливер также исследовал идею, известную как «двигатель Алькубьерра», предложенную физиком-теоретиком Мигелем Алькубьерре в 1994 году. Он описал ситуацию, в которой пространство-время сжимается перед космическим аппаратом, толкая его вперед, и расширяется позади него, также толкая его вперед. Но вопрос о том, как это сделать и сколько энергии это займет – осталось открытым. В 2008 году он и его аспирант Ричард Обоузи подсчитали сколько понадобится энергии: если предположить, что корабль размером примерно 10 х 10 м х 10 м (1000 кубических метров), то количество энергии, которое потребуется для запуска процесса, должно быть порядка всей массы Юпитера.
После этого энергия должна была бы постоянно «подливаться» дополнительно, чтобы процесс не потерпел неудачу. Но никто не знает, как это возможно сделать, или как будет выглядеть технология для этого. При этом Кливер замечает, что не хочет, чтобы через столетия его неправильно цитировали, потому что он предсказывает, что этого никогда не произойдет. Он на сегодняшний день не видит возможных вариантов решений этого. Таким образом, путешествие быстрее света остается фантастикой на данный момент.
Свет — это не только свет видимый. На самом деле свет — это намного больше. Все, от радиоволн до микроволн, видимого света, ультрафиолетового излучения, рентгеновского излучения и гамма-излучения, испускаемого распадающимися атомами — все эти фантастические лучи состоят из одного и того же материала: фотонов. Разница заключается в энергии, и, следовательно, длине их волны. В совокупности эти лучи составляют электромагнитный спектр. Например, тот факт, что радиоволны распространяются со скоростью света, чрезвычайно полезен для связи.
В своем исследовании другой физик Кольтхаммер строит схему, которая использует фотоны для отправки сигналов из одной части схемы в другую, поэтому он комментирует такого рода полезность удивительной скорости света: «Сам факт того, что мы построили инфраструктуру Интернета, к примеру, а до него и радио, основанную на свете, имеет отношение к легкости, с которой мы можем его передавать». Свет действует как связующая сила для Вселенной.Когда электроны в мобильном телефоне начинают дрожать, фотоны вылетают и приводят к тому, что электроны в другом мобильном телефоне тоже дрожат. Именно этот процесс позволяет сделать телефонный звонок.
Дрожь электронов на Солнце также испускает фотоны в огромных количествах, которые образуют свет, дающий жизни на Земле тепло и свет.
Свет — это «радиопередача» Вселенной. Эта скорость — 299 792 458 км / с — остается уверенно постоянной. Между тем пространство-время податливо, и это позволяет каждому испытать одни и те же законы физики, независимо от их положения или движения.
Источник: BBCEarth (http://www.bbc.com/earth/story/20160429-the-real-reasons-nothing-can-ever-go-faster-than-light)
