Чотири гіпотетичних способу пpeoдoлeть вселенське обмеження швидкості - новини науки і техніки

Чотири гіпотетичних способу пpeoдoлeть вселенське обмеження швидкості

Коли Альберт Ейнштейн вперше встановив, що світло рухається з однаковою швидкістю по нашого Всесвіту, він, по суті, встановив обмеження швидкості на 299 792 458 метрів в секунду. Але це не кінець. Насправді це тільки початок. До Ейнштейна маса - атоми, з яких ви, я і всі навколо складаємося - і енергія розглядалися як окремі величини. Але в 1905 році Ейнштейн назавжди змінив спосіб фізичного сприйняття Всесвіту.

Спеціальна теорія відносності зв'язала масу і енергію разом в простому, але фундаментальному рівнянні E = mc ^ 2. Це маленьке рівняння означає, що ніяка маса не може рухатися так само швидко, як світло, або швидше.

Людство найближче підходило до межі швидкості світла в потужних прискорювачах частинок на зразок Великого адронного коллайдера і Теватрона. Ці колосальні машини прискорюють субатомні частинки до 99,99% швидкості світла, але, як пояснює нобелівський лауреат з фізики Девід Гросс, ці частинки ніколи не досягають космічного ліміту швидкості.

Для цього знадобиться нескінченну кількість енергії, а маса об'єкта стане нескінченною, що неможливо. (Частинки світла фотони можуть рухатися зі швидкістю світла, тому що маси не мають).

Після Ейнштейна фізики виявили, що деякі величини можуть досягати сверхлюмінальних (або сверхсветових) швидкостей і як і раніше дотримуватися космічні правила, встановлені спеціальною теорією відносності. Хоча це не спростовує теорію Ейнштейна, воно дає нам уявлення про своєрідний поведінці світла і квантовому просторі.

Світловий еквівалент звукового удару.

Коли об'єкти рухаються швидше за швидкість звуку, вони створюють звуковий удар. Таким чином, в теорії, якщо щось рухається швидше за швидкість світла, воно повинно виробляти щось на кшталт «світлового удару».

За фактом цей світловий удар відбувається щодня і по всьому світу - його можна навіть побачити очима. Він називається випромінюванням Черенкова (ефектом Черенкова - Вавилова) і виглядає як блакитнувате світіння всередині ядерних реакторів.

Випромінювання Черенкова названо в честь радянського вченого Павла Олексійовича Черенкова, який вперше виміряв його в 1934 році і був удостоєний Нобелівської премії з фізики в 1958 році за своє відкриття.

Випромінювання Черенкова світиться, тому що ядро ​​реактора занурене у воду з метою охолодження. У воді світло рухається повільніше, його швидкість становить 75% швидкості світла у вакуумі космосу, але електрони, які народжуються в процесі реакції всередині ядра, рухаються у воді швидше за світло.

Частинки начебто цих електронів, які перевершують в швидкості світло в воді або будь-якої іншої середовищі начебто скла, створюють ударну хвилю, подібну ударної хвилі від звукового удару.

Коли ракета, наприклад, проходить через повітря, вона генерує хвилі тиску перед собою, які штовхають повітря зі швидкістю звуку, і чим ближче ракета до звукового бар'єра, тим менше часу залишається у хвиль, щоб піти зі шляху об'єкта. Досягнувши швидкості звуку, ракета змелюють хвилі в купу, створюючи ударний фронт, який призводить до потужного звуковому удару.

Аналогічним чином, коли електрони рухаються крізь воду зі швидкістю, що перевищує швидкість світла в воді, вони породжують ударну хвилю світла, яка іноді світиться синім кольором, але може світитися і в ультрафіолеті.

Хоча ці частинки рухаються швидше світла в воді, на ділі ж вони не порушують космічного обмеження швидкості в 300 000 км / с.

Коли правила не враховуються.

Не варто забувати, що спеціальна теорія відносності Ейнштейна стверджує, що ніщо з масою не може рухатися швидше за швидкість світла; і, наскільки фізики можуть стверджувати, всесвіт дотримується цього правила. Але як бути з тим, що без маси?

Фотони за своєю природою не можуть перевершити швидкість світла, але частинки світла - не єдині безмасові речі у всесвіті. Порожній простір не містить матеріальну субстанцію, а значить не має маси по визначенню.

«Оскільки ніщо не може бути більш порожнім, ніж вакуум, він може розширюватися швидше за швидкість світла, оскільки жоден матеріальний об'єкт не порушує світловий бар'єр, - вважає астрофізик-теоретик Мічіо Каку. - Таким чином, порожній простір, безумовно, може рухатися швидше за світло ».

Фізики вважають, що так і сталося відразу після Великого Вибуху в епоху інфляції, яку вперше припустили фізики Алан Гут і Андрій Лінде в 1980-х роках. Протягом трильйонної трильйонної частки секунди Всесвіт множилася на два в розмірах і в результаті розширилася експоненціально дуже швидко, значно перевищивши швидкість світла.

Квантова заплутаність зрізає кути.

Квантова заплутаність здається складною і лякає, але в самому простому розумінні заплутаність - це просто спосіб взаємодії субатомних частинок. І що найцікавіше в цьому явищі, так це те, що процес зв'язку з цим може відбуватися швидше за світло.

«Якщо два електрона звести досить близько, вони почнуть вібрувати в унісон, відповідно до квантової теорії. Потім, якщо розділити ці електрони сотнями або навіть тисячами світлових років, вони все одно будуть підтримувати зв'язок один з одним. Якщо похитнути один електрон, інший моментально відчує цю вібрацію, швидше за швидкість світла. Ейнштейн думав, що це явище має спростувати квантову теорію, тому що ніщо не може рухатися швидше за світло ».

Але в 1935 році Ейнштейн, Борис Подільський і Натан Розен спробували спростувати квантову теорію в ході уявного експерименту, який Ейнштейн назвав «жахливим дією на відстані».

За іронією долі, їх робота лягла в основу так званого парадоксу ЕПР (Ейнштейна - Подільського - Розена), який описує цю миттєвий зв'язок в процесі квантової заплутаності. Це, в свою чергу, може лягти (і поступово лягає) в основу багатьох передових технологій, таких як квантова криптографія.

Мрії про кротячих норах.

Оскільки ніщо з масою не може рухатися швидше за світло, ви можете розпрощатися з міжзоряними подорожами - у всякому разі в класичному сенсі, з ракетами і звичайними польотами.

Хоча Ейнштейн і поховав наші мрії про глибокому космосі зі своєю спеціальною теорією відносності, він дав нам нову надію на міжзоряні подорожі зі своєю загальною теорією відносності в 1916 році.

У той час як спеціальна теорія відносності «одружує» масу і енергію, загальна теорія щодо змикає разом простір і час.

«Єдиний можливий спосіб подолати світловий бар'єр може бути прихований в загальній теорії відносності та викривленні простору часу, - вважає Каку. - Це викривлення ми називаємо «червоточиною», і вона теоретично може дозволити нам долати величезні відстані миттєво, буквально пронизує наскрізь тканину простору-часу ».

У 1988 році фізик-теоретик Кіп Торн - науковий консультант і продюсер фільму «Інтерстеллар» - використовував рівняння загальної теорії відносності Ейнштейна, щоб передбачити можливе існування червоточин, які відкрили б нам дорогу в космос. Але в його випадку цим Кротовим норах необхідна була дивна екзотична матерія, яка підтримувала б їх у відкритому стані.

«Дивовижний на сьогодні факт: це екзотичне речовина може існувати, завдяки дивацтв законів квантової механіки», - пише Торн в своїй книзі «Наука« Інтерстеллар ».

І це екзотичне речовина може бути коли-небудь створено в лабораторіях на Землі, хоча і в невеликих кількостях. Коли Торн запропонував свою теорію стабільних червоточини в 1988 році, він закликав співтовариство фізиків допомогти йому визначити, чи може у всесвіті існувати досить екзотичного речовини, щоб зробити існування червоточин можливим.

«Це породило багато досліджень в сфері фізики; але сьогодні, через тридцять років, відповідь досі незрозумілий, - пише Торн. Поки все йде до того, що відповідь «ні», але, - Ми поки далеко від остаточної відповіді ».