Когда Альберт Эйнштейн впервые установил, что свет движется с одинаковой скоростью по нашей Вселенной, он, по сути, установил ограничение скорости на 299 792 458 метров в секунду. Но это не конец. На самом деле это только начало. До Эйнштейна масса — атомы, из которых вы, я и все вокруг состоим — и энергия рассматривались как отдельные величины. Но в 1905 году Эйнштейн навсегда изменил способ физического восприятия Вселенной.
Специальная теория относительности связала массу и энергию вместе в простом, но фундаментальном уравнении E=mc^2. Это маленькое уравнение означает, что никакая масса не может двигаться так же быстро, как свет, или быстрее.
читать дальшеЧеловечество ближе всего подходило к пределу скорости света в мощных ускорителях частиц вроде Большого адронного коллайдера и Тэватрона. Эти колоссальные машины ускоряют субатомные частицы до 99,99% скорости света, но, как объясняет нобелевский лауреат по физике Дэвид Гросс, эти частицы никогда не достигают космического предела скорости.
Для этого понадобится бесконечное количество энергии, а масса объекта станет бесконечной, что невозможно. (Частицы света фотоны могут двигаться со скоростью света, потому что массы не имеют).
После Эйнштейна физики обнаружили, что некоторые величины могут достигать сверхлюминальных (или сверхсветовых) скоростей и по-прежнему соблюдать космические правила, установленные специальной теорией относительности. Хотя это не опровергает теорию Эйнштейна, оно дает нам представление о своеобразном поведении света и квантовом пространстве.
Световой эквивалент звукового удара.
Когда объекты движутся быстрее скорости звука, они создают звуковой удар. Таким образом, в теории, если что-то движется быстрее скорости света, оно должно производить нечто вроде «светового удара».
По факту этот световой удар происходит ежедневно и по всему миру — его можно даже увидеть глазами. Он называется излучением Черенкова (эффектом Черенкова — Вавилова) и выглядит как голубоватое свечение внутри ядерных реакторов.
Излучение Черенкова названо в честь советского ученого Павла Алексеевича Черенкова, который впервые измерил его в 1934 году и был удостоен Нобелевской премии по физике в 1958 году за свое открытие.
Излучение Черенкова светится, потому что ядро реактора погружено в воду с целью охлаждения. В воде свет движется медленнее, его скорость составляет 75% скорости света в вакууме космоса, но электроны, которые рождаются в процессе реакции внутри ядра, движутся в воде быстрее света.
Частицы вроде этих электронов, которые превосходят в скорости свет в воде или какой-либо другой среде вроде стекла, создают ударную волну, подобную ударной волне от звукового удара.
Когда ракета, например, проходит через воздух, она генерирует волны давления перед собой, которые толкают воздух со скоростью звука, и чем ближе ракета к звуковому барьеру, тем меньше времени остается у волн, чтобы уйти с пути объекта. Достигнув скорости звука, ракета смалывает волны в кучу, создавая ударный фронт, который приводит к мощному звуковому удару.
Аналогичным образом, когда электроны движутся сквозь воду со скоростью, превышающую скорость света в воде, они порождают ударную волну света, которая иногда светится синим цветом, но может светиться и в ультрафиолете.
Хотя эти частицы движутся быстрее света в воде, на деле же они не нарушают космического ограничения скорости в 300 000 км/с.
Когда правила не учитываются.
Не стоит забывать, что специальная теория относительности Эйнштейна утверждает, что ничто с массой не может двигаться быстрее скорости света; и, насколько физики могут утверждать, вселенная соблюдает это правило. Но как быть с тем, что без массы?
Фотоны по своей природе не могут превзойти скорость света, но частицы света — не единственные безмассовые вещи во вселенной. Пустое пространство не содержит материальную субстанцию, а значит не имеет массы по определению.
«Поскольку ничто не может быть более пустым, чем вакуум, он может расширяться быстрее скорости света, поскольку ни один материальный объект не нарушает световой барьер, — считает астрофизик-теоретик Мичио Каку. — Таким образом, пустое пространство, безусловно, может двигаться быстрее света».
Физики считают, что так и произошло сразу после Большого Взрыва в эпоху инфляции, которую впервые предположили физики Алан Гут и Андрей Линде в 1980-х годах. В течение триллионной триллионной доли секунды Вселенная умножалась на два в размерах и в результате расширилась экспоненциально очень быстро, значительно превысив скорость света.
Квантовая запутанность срезает углы.
Квантовая запутанность кажется сложной и пугающей, но в самом простом смысле запутанность — это просто способ взаимодействия субатомных частиц. И что самое интересное в этом явлении, так это то, что процесс этой связи может происходить быстрее света.
«Если два электрона свести достаточно близко, они начнут вибрировать в унисон, в соответствии с квантовой теорией. Потом, если разделить эти электроны сотнями или даже тысячами световых лет, они все равно будут поддерживать связь друг с другом. Если покачнуть один электрон, другой моментально почувствует эту вибрацию, быстрее скорости света. Эйнштейн думал, что это явление должно опровергнуть квантовую теорию, потому что ничто не может двигаться быстрее света».
Но в 1935 году Эйнштейн, Борис Подольский и Натан Розен попытались опровергнуть квантовую теорию в ходе мысленного эксперимента, который Эйнштейн назвал «жутким действием на расстоянии».
По иронии судьбы, их работа легла в основу так называемого парадокса ЭПР (Эйнштейна — Подольского — Розена), который описывает эту мгновенную связь в процессе квантовой запутанности. Это, в свою очередь, может лечь (и постепенно ложится) в основу многих передовых технологий, таких как квантовая криптография.
Мечты о кротовых норах.
Поскольку ничто с массой не может двигаться быстрее света, вы можете распрощаться с межзвездными путешествиями — во всяком случае в классическом смысле, с ракетами и обычными полетами.
Хотя Эйнштейн и похоронил наши мечты о глубоком космосе со своей специальной теорией относительности, он дал нам новую надежду на межзвездные путешествия со своей общей теорией относительности в 1916 году.
В то время как специальная теория относительности «женит» массу и энергию, общая теория относительно смыкает вместе пространство и время.
«Единственный возможный способ преодолеть световой барьер может быть скрыт в общей теории относительности и искривлении пространства времени, — считает Каку. — Это искривление мы называем «червоточиной», и она теоретически может позволить нам преодолевать огромные расстояния мгновенно, буквально пронзая насквозь ткань пространства-времени».
В 1988 году физик-теоретик Кип Торн — научный консультант и продюсер фильма «Интерстеллар» — использовал уравнения общей относительности Эйнштейна, чтобы предсказать возможное существование червоточин, которые открыли бы нам дорогу в космос. Но в его случае этим кротовым норам необходима была странная экзотическая материя, которая поддерживала бы их в открытом состоянии.
«Удивительный на сегодня факт: это экзотическое вещество может существовать, благодаря странностям законов квантовой механики», — пишет Торн в своей книге «Наука «Интерстеллара».
И это экзотическое вещество может быть когда-нибудь создано в лабораториях на Земле, хотя и в небольших количествах. Когда Торн предложил свою теорию стабильных червоточин в 1988 году, он призвал сообщество физиков помочь ему определить, может ли во вселенной существовать достаточно экзотического вещества, чтобы сделать существование червоточин возможным.
«Это породило много исследований в сфере физике; но сегодня, спустя тридцать лет, ответ до сих пор неясен, — пишет Торн. Пока все идет к тому, что ответ «нет», но, — Мы пока далеко от окончательного ответа».