Prečo nič nie je rýchlejší ako svetlo?

obsah

• Video: predbehnú svetlo možné?
• Video: rýchlosť svetla vo vesmíre rýchlejšie, než je rýchlosť svetla a priestoru, maximálna rýchlosť v kozme

V septembri 2011 fyzik Antonio Ereditato uvrhol svet do šoku. Jeho vyhlásenie by mohlo znamenať revolúciu naše chápanie vesmíru. Ak sú údaje zhromaždené 160 vedcov projektu OPERA bol správny, bolo neuveriteľné. Častice - v tomto prípade, že neutrína - sa pohybujú rýchlejšie ako svetlo. Podľa Einsteinovej teórie relativity, to je nemožné. A dôsledky tohto monitorovania by bolo neuveriteľné. To by mohlo musieť prehodnotiť samotné základy fyziky.

Hoci Ereditato povedal, že on a jeho tím boli "veľmi istí" vo svojich výsledkoch, ale nepovedal, že údaje boli úplne presné. Naopak, oni žiadali ďalšie vedcov, aby im pomohla pochopiť, čo sa deje.

V závere sa ukázalo, že výsledky OPERA mýlili. Vzhľadom k uvoľnenej káble to je problém synchronizácia a signály s GPS, satelity boli nepresné. Bolo nečakané meškanie signálu. V dôsledku toho sa meria čas to trvalo pre neutrína prekonať určitú vzdialenosť, ukázal navyše 73 nanosekúnd: zdalo sa, že neutrína letí rýchlejšie ako svetlo.

Cez mesiacoch dôkladného testovania pred začatím pokusu a potom znova skontrolovať dáta, vedci vážne zlé. Ereditato odstúpil, a to napriek mnohým pripomienok, že tieto chyby vždy dôjsť v dôsledku extrémnej zložitosti zariadení urýchľovačoch častíc.

Preto je predpoklad - jeden je len odhad - niečo, čo môže cestovať rýchlejšie ako svetlo, to spôsobilo taký rozruch? Ako ďaleko ako my sme presvedčení, že nič nemôže prekonať túto bariéru?

Poďme najprv analyzovať druhú z týchto otázok. Rýchlosť svetla vo vákuu je 299 792,458 km za sekundu - pre pohodlie, toto číslo sa zaokrúhli na 300.000 kilometrov za sekundu. To je veľmi rýchly. Slnko je 150 miliónov kilometrov od Zeme, svetlo z neho prichádza na Zem len za osem minút a dvadsať sekúnd.

Mohol by niektorý z našich výtvorov súťažiť v závode so svetlom? Jeden z najrýchlejších objektov umelých medzi niekedy postavený, vesmírna sonda "New Horizons", prefrčal okolo Pluta a Charon v júli 2015. Dorazil na zem rýchlosťou 16 km / c. Oveľa menej ako 300 000 km / s.

Napriek tomu sme mali drobné čiastočky, ktoré sa pohybujú veľmi rýchlo. V skorých 1960, William Bertozzi na MIT experiment s elektrónmi urýchlené na ešte vyššiu rýchlosť.

Vzhľadom na to, že elektróny majú záporný náboj, môžu rozptýliť - presnejšie povedané, odpudzujú - použití rovnakej záporný náboj k materiálu. Čím viac energie je aplikovaná, elektróny sú urýchľované rýchlejšie.

Človek by si myslel, že stačí zvýšiť energiu, ktoré urýchľujú na rýchlosť 300 000 km / s. Ale ukazuje sa, že elektróny jednoducho nemôže pohybovať tak rýchlo. Bertozzi experimenty ukázali, že použitie viac energie nevedie priamo k úmernému zvýšenie rýchlosti elektrónov.

Namiesto toho bolo nutné dať obrovské množstvo energie navyše sa aj ľahko meniť rýchlosť elektrónov. Bolo už skoro rýchlosť svetla je stále bližšie a bližšie, ale nikdy nebol dosiahnutý.

Predstavte si, že malý pohyb na shazhochkami dverí, z ktorých každá prekoná polovicu vzdialenosti od aktuálnej polohy do dverí. Prísne vzaté, nikdy nemôžete dostať k dverám, pretože po každom z vašich krokov, ktoré budú musieť zostať na vzdialenosť, ktorá musí byť prekonaná. O tomto probléme Bertozzi stretol pri riešení svojich elektrónov.

Ale svetlo sa skladá z častíc nazývaných fotóny. Prečo sú tieto častice môžu pohybovať rýchlosťou svetla a elektrónov - nie?

"Vzhľadom k tomu, objekty sa pohybujú rýchlejšie a rýchlejšie, ale stále ťažšie - ťažšie sa stávajú, tým ťažšie je byť rozptýlený, takže nikdy získajú pri rýchlosti svetla," hovorí Roger rassoul, fyzik na univerzite v Melbourne v Austrálii. "Fotóny nemajú žiadnu hmotu. Keby mal dostatok z nej nemohol pohybovať rýchlosťou svetla. "

Fotóny sú zvláštne. Oni majú nielen žiadnu hmotnosť, čo im dáva úplnú slobodu pohybu vo vákuu priestore, ale aj nemusia byť urýchlené. Prírodnej energie, ktorú majú pohybuje vo vlnách, ako oni boli, teda v okamihu ich vzniku, oni už majú maximálnu rýchlosť. V niektorých ohľadoch jednoduchšie myslieť na svetlo ako zdroj energie, skôr než ako prúd častíc, aj keď, po pravde povedané, svetlo a je oboje.

Avšak, svetlo sa pohybuje oveľa pomalšie, než by sme mohli očakávať. Kým internetové technológie ako hovoriť o komunikácii, ktoré operujú "na rýchlosti svetla" v optickom vlákne, svetlo sa pohybuje v skle vlákna o 40% nižšia ako vo vákuu.

V skutočnosti, fotóny pohybujú rýchlosťou 300 000 km / s, ale stretávajú s určitým presahom, rušenie od ostatných fotónov, ktoré sú emitované atómy skla, keď je hlavný svetelná vlna prejde. Chápem, že nemusí byť ľahké, ale aspoň sme sa snažili.

Rovnako tak v rámci špeciálnych pokusov s jednotlivými fotóny, bolo možné ich spomaliť celkom pôsobivé. Ale pre väčšinu prípadov sa bude jednať o značný počet 300 000. Nevideli sme a nevytvoril nič, čo by mohlo pohybovať rovnako alebo ešte rýchlejšie. Existujú špeciálne okamihy, ale ako sme sa ich dotknúť, poďme sa dotýkajú ďalší z našej otázke. Prečo je to tak dôležité, že rýchlosť svetla zvyčajne vykonáva dôsledne?

Odpoveď leží s mužom menom Albert Einstein, ako sa často stáva vo fyzike. Jeho špeciálna teória relativity, to skúma rad dôsledkov univerzálny rýchlostného limitu. Jedným z najdôležitejších prvkov teórie je myšlienka, že rýchlosť svetla je konštantná. Bez ohľadu na to, kde ste a ako rýchlo sa pohybujúce svetlá vždy pohybuje rovnakou rýchlosťou.

Ale to znamená niekoľko koncepčných problémov.

Predstavme si svetlo dopadajúce zo svietidla do zrkadla na strope stacionárneho kozmickej lode. Svetlo prichádza, sa odráža od zrkadla a padá na zem kozmickej lodi. Napríklad, že prekoná vzdialenosť 10 metrov.

A teraz si predstavte, že sonda začne pohybujúce sa obrovskou rýchlosťou tisícok kilometrov za sekundu. Keď zapnete baterku, svetlo sa chová ako predtým: svieti hore, zasiahne zrkadlo a odráža sa v podlahe. Ale ako to urobiť, svetlo bude musieť prekonať diagonálna vzdialenosť, skôr než vertikálne. Na konci, zrkadlo sa teraz pohybuje rýchlo spolu so sondou.

V súlade s tým sa zvyšuje vzdialenosť, ktorá prekonáva svetlo. Napríklad na 5 metrov. Ukázalo sa, že 15 metrov celkovo, nie 10.

Napriek tomu, aj keď je vzdialenosť zvýšil, Einsteinova teória tvrdí, že svetlo bude aj naďalej pohybovať rovnakou rýchlosťou. Pretože rýchlosť - je vzdialenosť delená časom, meria rýchlosť zostáva rovnaký a vzdialenosť zvyšuje, doba musí zvýšiť. Áno, doba sa musí natiahnuť sám. A aj keď to znie divne, ale to bolo experimentálne potvrdené.

Tento jav sa nazýva dilatácia času. Doba sa pohybuje pomalšie, pre ľudí, ktorí sa sťahujú do rýchlo idúceho vozidla, pokiaľ ide o tých, ktorí sú imobilných.

Napríklad čas 0,007 sekundy pomalší pre astronautov na Medzinárodnej vesmírnej stanici, ktorá sa pohybuje rýchlosťou 7,66 km / s vzhľadom k Zemi, keď v porovnaní s ľuďmi na planéte. Ďalšou zaujímavou situáciu, ako vyššie uvedené častice elektrónov, ktoré sa môžu pohybovať v blízkosti rýchlosti svetla. V prípade týchto častíc, stupeň spomalenie by bol obrovský.

Steven Kolthammer, experimentálne fyzik Oxford University vo Veľkej Británii, ukazuje na príklade s časticami zvanej mióny.

Tieto mióny sú nestabilné: rýchlo sa rozpadajú na menšie častice. Tak rýchlo, že väčšina mióny opúšťajúcich Slnka, musí sa rozpadať pri dosiahnutí Zemi. Ale v skutočnosti, že mióny dorazí na Zemi od Slnka na kolosálnym meradle. Fyzici už dlhú dobu snaží pochopiť, prečo.

"Odpoveď na túto hádanku je, že mióny vytvorený s takou energiou, ktoré sa pohybujú rýchlosťou v blízkosti svetla, - hovorí Kolthammer. - Ich vnímanie času, tak povediac, ich vnútorné hodiny bežať pomaly ".

Mióny "prežiť" dlhšie, než sa očakávalo, pokiaľ ide o nás, a to vďaka tomu prirodzený zakrivenie času. Keď sú predmety rýchlo sa pohybujúce vzhľadom k iným predmetom, ich dĺžka sa tiež znižuje zmrštenie. Tieto účinky, dilatácia času a k zníženiu dĺžky, sú príklady toho, ako časopriestor, v závislosti na pohybe vecí - ja, vy, alebo kozmickej lodi - s hmotou.

Čo je dôležité, ako povedal Einstein, svetlo nie je ovplyvnené, pretože to nemá žiadnu váhu. To je dôvod, prečo tieto zásady idú ruka v ruke. Ak sa veci mohli pohybovať rýchlejšie ako svetlo, budú dodržiavať základné zákony, ktoré popisujú fungovanie vesmíru. To sú kľúčové princípy. Teraz môžeme hovoriť o niekoľkých málo výnimiek a odchýlok.

Na jednej strane, aj keď sme nič, čo sa hýbe rýchlejšie ako svetlo vidieť, neznamená to, že rýchlostný limit by nemal byť teoreticky zlomiť vo veľmi špecifických podmienok. Zvážte napríklad expanziu samotného vesmíru. Galaxy vo vesmíre sa odstráni od seba rýchlosťou podstatne vyššia ako svetlo.

Ďalší zaujímavý prípad sa týka častíc, ktoré zdieľajú rovnaké vlastnosti v rovnakú dobu, bez ohľadu na to, ako ďaleko od seba. Toto takzvané "kvantovej zapletenie." Photon bude otáčať hore a dole náhodne vyberá z dvoch možných stavov, ale voľba smeru otáčania sa presne odráža na druhej fotónu kdekoľvek inde, ak sú zmätení.

Dvaja vedci, z ktorých každá skúma svoj vlastný fotón bude mať rovnaký výsledok, zároveň rýchlejšie, než by to mohlo umožniť rýchlosť svetla.

Avšak, v oboch týchto príkladov, je dôležité si uvedomiť, že žiadna informácia sa nepohybuje rýchlejšie ako rýchlosťou svetla medzi dvoma objektmi. Môžeme vypočítať expanziu vesmíru, ale nemôžeme vidieť objekty rýchlejšie ako svetlo v ňom: zmizli z dohľadu.

Čo sa týka týchto dvoch vedcov so svojimi fotónov, hoci by mohli získať výsledok v rovnakej dobe, ale nemohol dať to, aby navzájom spoznali rýchlejšie ako svetlo sa pohybuje medzi nimi.

"To nepredstavuje nám žiadne problémy, pretože ak ste schopní vysielať signály rýchlejšie ako svetlo, dostanete bizarné paradox, podľa ktorej informácie môžu nejakým spôsobom vrátiť v čase," hovorí Kolthammer.

Tam je ďalší možný spôsob, ako cestovať rýchlejšie ako svetlo je to technicky možné: rozpory v časopriestore, ktorý umožní cestujúcich, aby sa zabránilo zvyčajné pravidlá cestovania.

Gerald Cleaver z Baylor University v Texase, hovorí, že jedného dňa budeme môcť postaviť raketu pohybujúce sa rýchlejšie ako svetlo. Ktorý cestuje červej dierou. Wormhole - slučka v časopriestore sa dokonale hodí do teórie Eynsheyna. Tie by mohli umožniť astronaut skok z jedného konca vesmíru na druhú anomálie v časopriestore, nejakú formu kozmického zástupcu.

Objekt cestuje červej dierou, nebude vyššia ako rýchlosť svetla, ale môže teoreticky dosiahnuť cieľ rýchlejšie ako svetlo, čo je na "normálnym" spôsobom. Ale červej diery sú zvyčajne neprístupné pre cestovanie vesmírom. Tam mohol byť iný spôsob, ako aktívne narušiť časopriestor sa pohybovať rýchlejšie 300 000 km / C Relatívna na niekoho iného?

Cleaver tiež preskúmal myšlienku "motora Alcubierre" navrhnutý teoretický fyzik Miguel Alcubierre v roku 1994. On opisuje situáciu, v ktorej je časopriestor stlačený pred kozmickej lode, tlačiť dopredu, a expanduje za ním, a tlačiť dopredu. "Ale potom - Cleaver povedal - žiadny problém: ako sa to robí a koľko bude potrebovať energiu."

V roku 2008, on a jeho postgraduálny študent Richard Obouzi spočítať, koľko budete potrebovať energiu.

"Predložili sme loď 10 m x 10 m x 10 m - 1000 metrov kubických - a vypočítali, že energia potrebná na začatie procesu, by bolo ekvivalentné hmotnosti celého Jupitera".

Za to, že energia musí byť neustále "dodáva," že tento proces nebol dokončený. Nikto nevie, či to bude vôbec možné, alebo to bude vyzerať potrebnou technikou. "Ja nechcem byť uvedené neskôr stáročia, aj keď som predpovedal niečo, čo sa nikdy - Cleaver hovorí. - ale zatiaľ nevidím žiadne riešenie"

Takže, cestovať rýchlejšie ako rýchlosť svetla sú fantastické v túto chvíľu. Zatiaľ jediný spôsob, ako navštíviť exoplanétu s životom - do hlbokého spánku. A napriek tomu, nie je všetko tak zlé. Vo väčšine prípadov sa bavíme o viditeľnom svetle. Ale v skutočnosti, svetlo - je to oveľa viac než to. Rádiové vlny a mikrovlny pre viditeľné svetlo, ultrafialové žiarenie, röntgenové žiarenie a gama žiarenie vyžarovaných atómov v procese rozpadu - všetky tieto krásne lúče sa skladajú z jednej a tej istej: fotónu.

Rozdiel v energiu, a preto - na vlnovej dĺžke. Dohromady tieto lúče vytvárajú elektromagnetické spektrum. Skutočnosť, že rádiové vlny, napríklad sa pohybujú rýchlosťou svetla, veľmi užitočný pre komunikáciu.

Vo svojej štúdii Kolthammer vytvorí schému, ktoré používa fotóny pre prenos signálov z jednej časti okruhu na druhý, tak to si zaslúži právo vyjadriť sa k užitočnosti neuveriteľnou rýchlosťou svetla.

"Skutočnosť, že sme vybudovali infraštruktúru internetu, napríklad, a pred ním, a rádio na báze svetla súvisí s ľahkosťou, s akou môžeme vysielať," povedal. A dodáva, že svetlo sa chová ako komunikačný sily vesmíru. Keď elektróny v mobilnom telefóne začne triasť, že fotóny sú vydávané a vedú k tomu, že elektróny v inom mobilnom telefóne tiež trepanie. Tak sa zrodila telefonát. Tras elektróny na slnku tiež vyžaruje fotóny - vo veľkom množstve - čo samozrejme tvorí svetlo, ktoré dáva život na Zemi tepla a hučanie, svetlý.

Light - je univerzálnym jazykom vesmíru. Jeho rýchlosť - 299 792,458 km / s - zostáva konštantná. Medzitým, priestor a čas sú poddajný. Možno by sme nemali premýšľať o tom, ako sa pohybovať rýchlejšie ako svetlo, a tak rýchlo prechádzať týmto priestorom a tentoraz? Dospievajú ku koreňu, tak povediac?