Proč nic není rychlejší než světlo?

Obsah

• Video: předběhnou světlo možné?
• Video: rychlost světla ve vesmíru rychleji, než je rychlost světla a prostoru, maximální rychlost v kosmu

V září 2011 fyzik Antonio Ereditato uvrhl svět do šoku. Jeho prohlášení by mohlo znamenat revoluci naše chápání vesmíru. Pokud jsou data shromážděná 160 vědců projektu OPERA byl správný, bylo neuvěřitelné. Částice - v tomto případě, že neutrina - se pohybují rychleji než světlo. Podle Einsteinovy ​​teorie relativity, to je nemožné. A důsledky tohoto sledování by bylo neuvěřitelné. To by mohlo muset přehodnotit samotné základy fyziky.

Ačkoli Ereditato řekl, že on a jeho tým byli „velmi jisti“ ve svých výsledcích, ale neřekl, že údaje byly naprosto přesné. Naopak, oni žádali další vědce, aby jim pomohla pochopit, co se děje.

V závěru se ukázalo, že výsledky OPERA mýlili. Vzhledem k uvolněné kabely to je problém synchronizace a signály s GPS, satelity byly nepřesné. Bylo nečekané zpoždění signálu. V důsledku toho se měří čas to trvalo pro neutrina překonat určitou vzdálenost, ukázal navíc 73 nanosekund: zdálo se, že neutrina letí rychleji než světlo.

Přes měsících důkladného testování před zahájením pokusu a potom znovu zkontrolovat data, vědci vážně špatné. Ereditato odstoupil, a to navzdory mnoha připomínek, že tyto chyby vždy dojít v důsledku extrémní složitosti zařízení urychlovačích částic.

Proto je předpoklad - jeden je jen odhad - něco, co může cestovat rychleji než světlo, to způsobilo takový povyk? Jak daleko jak my jsme přesvědčeni, že nic nemůže překonat tuto bariéru?

Pojďme nejprve analyzovat druhou z těchto otázek. Rychlost světla ve vakuu je 299 792,458 km za sekundu - pro pohodlí, toto číslo se zaokrouhlí na 300.000 kilometrů za sekundu. To je velmi rychlý. Slunce je 150 milionů kilometrů od Země, světlo z něj přichází na Zemi za pouhých osm minut a dvacet sekund.

Mohl by některý z našich výtvorů soutěžit v závodě se světlem? Jeden z nejrychlejších objektů umělých mezi někdy postavený, vesmírná sonda „New Horizons“, prosvištěl kolem Pluta a Charon v červenci 2015. Dorazil na zem rychlostí 16 km / c. Mnohem méně než 300 000 km / s.

Přesto jsme měli drobné částečky, které se pohybují velmi rychle. V časných 1960, William Bertozzi na MIT experiment s elektrony urychleny na ještě vyšší rychlost.

Vzhledem k tomu, že elektrony mají záporný náboj, mohou rozptýlit - přesněji řečeno, odpuzují - použití stejné záporný náboj k materiálu. Čím více energie je aplikována, elektrony jsou urychlovány rychleji.

Člověk by si myslel, že stačí zvýšit energii, které urychlují na rychlost 300 000 km / s. Ale ukazuje se, že elektrony prostě nemůže pohybovat tak rychle. Bertozzi experimenty ukázaly, že použití více energie nevede přímo k úměrnému zvýšení rychlosti elektronů.

Namísto toho bylo nutné dát obrovské množství energie navíc se i lehce měnit rychlost elektronů. Bylo už skoro rychlost světla je stále blíž a blíž, ale nikdy nebylo dosaženo.

Představte si, že malý pohyb na shazhochkami dveří, z nichž každá překoná polovinu vzdálenosti od aktuální polohy do dveří. Přísně vzato, nikdy nemůžete dostat ke dveřím, protože po každém z vašich kroků, které budou muset zůstat na vzdálenost, která musí být překonána. O tomto problému Bertozzi setkal při řešení svých elektronů.

Ale světlo se skládá z částic zvaných fotony. Proč jsou tyto částice mohou pohybovat rychlostí světla a elektronů - ne?

„Vzhledem k tomu, objekty se pohybují rychleji a rychleji, ale stále těžší - těžší se stávají, tím obtížnější je být rozptýlen, takže nikdy získají při rychlosti světla,“ říká Roger Rassoul, fyzik na univerzitě v Melbourne v Austrálii. „Fotony nemají žádnou hmotu. Kdyby měl dostatek z ní nemohl pohybovat rychlostí světla. "

Fotony jsou zvláštní. Oni mají nejen žádnou hmotnost, což jim dává úplnou svobodu pohybu ve vakuu prostoru, ale také nemusí být urychleno. Přírodní energie, kterou mají pohybuje ve vlnách, jak oni byli, tedy v okamžiku jejich vzniku, oni už mají maximální rychlost. V některých ohledech jednodušší myslet na světlo jako zdroj energie, spíše než jako proud částic, i když, po pravdě řečeno, světlo a je obojí.

Nicméně, světlo se pohybuje mnohem pomaleji, než bychom mohli očekávat. Zatímco internetové technologie jako mluvit o komunikaci, které operují „na rychlosti světla“ v optickém vlákně, světlo se pohybuje ve skle vlákna o 40% nižší než ve vakuu.

Ve skutečnosti, fotony pohybují rychlostí 300 000 km / s, ale potýkají s určitým přesahem, rušení od ostatních fotonů, které jsou emitovány atomy skla, když je hlavní světelná vlna projde. Chápu, že nemusí být snadné, ale aspoň jsme se snažili.

Stejně tak v rámci speciálních pokusů s jednotlivými fotony, bylo možné je zpomalit docela působivé. Ale pro většinu případů se bude jednat o značný počet 300 000. Neviděli jsme a nevytvořil nic, co by mohlo pohybovat stejně rychle či dokonce rychleji. Existují speciální okamžiky, ale než jsme se jich dotknout, pojďme se dotýkají další z naší otázce. Proč je to tak důležité, že rychlost světla obvykle provádí důsledně?

Odpověď leží s mužem jménem Albert Einstein, jak se často stává ve fyzice. Jeho speciální teorie relativity, to zkoumá řadu důsledků univerzální rychlostního limitu. Jedním z nejdůležitějších prvků teorie je myšlenka, že rychlost světla je konstantní. Bez ohledu na to, kde jste a jak rychle se pohybující světla vždy pohybuje stejnou rychlostí.

Ale to znamená několik koncepčních problémů.

Představme si světlo dopadající ze svítilny do zrcadla na stropě stacionárního kosmické lodi. Světlo přichází, se odráží od zrcadla a padá na zem kosmické lodi. Například, že překoná vzdálenost 10 metrů.

A teď si představte, že sonda začne pohybující se obrovskou rychlostí tisíců kilometrů za sekundu. Když zapnete baterku, světlo se chová jako předtím: svítí nahoru, zasáhne zrcadlo a odráží se v podlaze. Ale jak to udělat, světlo bude muset překonat diagonální vzdálenost, spíše než vertikální. Na konci, zrcadlo se nyní pohybuje rychle spolu se sondou.

V souladu s tím se zvyšuje vzdálenost, která překonává světlo. Například na 5 metrů. Ukázalo se, že 15 metrů celkem, nikoli 10.

Přesto, i když je vzdálenost zvýšil, Einsteinova teorie tvrdí, že světlo bude i nadále pohybovat stejnou rychlostí. Protože rychlost - je vzdálenost dělená časem, měří rychlost zůstává stejný a vzdálenost zvyšuje, doba musí zvýšit. Ano, doba se musí natáhnout sám. A i když to zní divně, ale to bylo experimentálně potvrzeno.

Tento jev se nazývá dilatace času. Doba se pohybuje pomaleji, pro lidi, kteří se stěhují do rychle jedoucího vozidla, pokud jde o ty, kteří jsou imobilní.

Například čas 0,007 sekundy pomalejší pro astronauty na Mezinárodní vesmírné stanici, která se pohybuje rychlostí 7,66 km / s vzhledem k Zemi, když ve srovnání s lidmi na planetě. Další zajímavou situaci, jako výše uvedené částice elektronů, které se mohou pohybovat v blízkosti rychlosti světla. V případě těchto částic, stupeň zpomalení by byl obrovský.

Steven Kolthammer, experimentální fyzik Oxford University ve Velké Británii, ukazuje na příkladu s částicemi zvané miony.

Tyto miony jsou nestabilní: rychle se rozpadají na menší částice. Tak rychle, že většina miony opouštějících Slunce, musí se rozpadat při dosažení Zemi. Ale ve skutečnosti, že miony dorazí na Zemi od Slunce na kolosálním měřítku. Fyzikové již dlouhou dobu snaží pochopit, proč.

„Odpověď na tuto hádanku je, že miony vytvořený s takovou energií, které se pohybují rychlostí v blízkosti světla, - říká Kolthammer. - Jejich vnímání času, tak říkajíc, jejich vnitřní hodiny běžet pomalu ".

Miony „přežít“ déle, než bylo očekáváno, pokud jde o nás, a to díky tomu přirozený zakřivení času. Když jsou předměty rychle se pohybující vzhledem k jiným předmětům, jejich délka se také snižuje smrštění. Tyto účinky, dilatace času a ke snížení délky, jsou příklady toho, jak časoprostor, v závislosti na pohybu věcí - já, vy, nebo kosmické lodi - s hmotou.

Co je důležité, jak řekl Einstein, světlo není ovlivněno, protože to nemá žádnou váhu. To je důvod, proč tyto zásady jdou ruku v ruce. Pokud se věci mohly pohybovat rychleji než světlo, budou dodržovat základní zákony, které popisují fungování vesmíru. To jsou klíčové principy. Nyní můžeme hovořit o několika málo výjimek a odchylek.

Na jedné straně, i když jsme nic, co se hýbe rychleji než světlo vidět, neznamená to, že rychlostní limit by neměl být teoreticky zlomit ve velmi specifických podmínek. Zvažte například expanzi samotného vesmíru. Galaxy ve vesmíru se odstraní od sebe rychlostí podstatně vyšší než světlo.

Další zajímavý případ se týká částic, které sdílejí stejné vlastnosti ve stejnou dobu, bez ohledu na to, jak daleko od sebe. Toto takzvané „kvantové zapletení.“ Photon bude otáčet nahoru a dolů náhodně vybírá ze dvou možných stavů, ale volba směru otáčení se přesně odráží na druhé fotonu kdekoliv jinde, pokud jsou zmatení.

Dva vědci, z nichž každá zkoumá svůj vlastní foton bude mít stejný výsledek, zároveň rychleji, než by to mohlo umožnit rychlost světla.

Nicméně, v obou těchto příkladů, je důležité si uvědomit, že žádná informace se nepohybuje rychleji než rychlostí světla mezi dvěma objekty. Můžeme vypočítat expanzi vesmíru, ale nemůžeme vidět objekty rychleji než světlo v něm: zmizeli z dohledu.

Co se týče těchto dvou vědců se svými fotonů, přestože by mohli získat výsledek ve stejné době, ale nemohl dát to, aby navzájem poznali rychleji než světlo se pohybuje mezi nimi.

„To nepředstavuje nám žádné problémy, protože pokud jste schopni vysílat signály rychleji než světlo, dostanete bizarní paradox, podle které informace mohou nějakým způsobem vrátit v čase,“ říká Kolthammer.

Tam je další možný způsob, jak cestovat rychleji než světlo je to technicky možné: rozpory v časoprostoru, který umožní cestující, aby se zabránilo obvyklá pravidla cestování.

Gerald Cleaver z Baylor University v Texasu, říká, že jednoho dne budeme moci postavit raketu pohybující se rychleji než světlo. Který cestuje červí dírou. Wormhole - smyčka v časoprostoru se dokonale hodí do teorie Eynsheyna. Ty by mohly umožnit astronaut skok z jednoho konce vesmíru na druhou anomálie v časoprostoru, nějakou formu kosmického zástupce.

Objekt cestuje červí dírou, nebude vyšší než rychlost světla, ale může teoreticky dosáhnout cíle rychleji než světlo, což je na „normálním“ způsobem. Ale červí díry jsou obvykle nepřístupné pro cestování vesmírem. Tam mohl být jiný způsob, jak aktivně narušit časoprostor se pohybovat rychleji 300 000 km / C Relativní na někoho jiného?

Cleaver také prozkoumal myšlenku „motoru Alcubierre“ navržený teoretický fyzik Miguel Alcubierre v roce 1994. On popisuje situaci, ve které je časoprostor stlačený před kosmické lodi, tlačit dopředu, a expanduje za ním, a tlačit dopředu. „Ale pak - Cleaver řekl - žádný problém: jak se to dělá a kolik bude potřebovat energii.“

V roce 2008, on a jeho postgraduální student Richard Obouzi spočítat, kolik budete potřebovat energii.

„Předložili jsme loď 10 m x 10 m x 10 m - 1000 metrů krychlových - a vypočítali, že energie potřebná k zahájení procesu, by bylo ekvivalentní hmotnosti celého Jupiteru“.

Za to, že energie musí být neustále „dodává,“ že tento proces nebyl dokončen. Nikdo neví, zda to bude vůbec možné, nebo to bude vypadat potřebnou technikou. „Já nechci být uvedeny později staletí, i když jsem předpovídal něco, co se nikdy - Cleaver říká. - ale zatím nevidím žádné řešení“

Takže, cestovat rychleji než rychlost světla jsou fantastické v tuto chvíli. Zatím jediný způsob, jak navštívit exoplanetu s životem - do hlubokého spánku. A přesto, není všechno tak špatné. Ve většině případů se bavíme o viditelném světle. Ale ve skutečnosti, světlo - je to mnohem víc než to. Rádiové vlny a mikrovlny pro viditelné světlo, ultrafialové záření, rentgenové záření a gama záření vyzařovaných atomů v procesu rozpadu - všechny tyto krásné paprsky se skládají z jedné a té samé: fotonu.

Rozdíl v energii, a proto - na vlnové délce. Dohromady tyto paprsky vytvářejí elektromagnetické spektrum. Skutečnost, že rádiové vlny, například se pohybují rychlostí světla, velmi užitečný pro komunikaci.

Ve své studii Kolthammer vytvoří schéma, které používá fotony pro přenos signálů z jedné části okruhu na druhý, tak to si zaslouží právo vyjádřit se k užitečnosti neuvěřitelnou rychlostí světla.

„Skutečnost, že jsme vybudovali infrastrukturu internetu, například, a před ním, a rádio na bázi světla souvisí s lehkostí, s jakou můžeme vysílat,“ řekl. A dodává, že světlo se chová jako komunikační síly vesmíru. Když elektrony v mobilním telefonu začne třást, že fotony jsou vydávány a vedou k tomu, že elektrony v jiném mobilním telefonu také třepání. Tak se zrodila telefonát. Třes elektrony na slunci také vyzařuje fotony - ve velkém množství - což samozřejmě tvoří světlo, které dává život na Zemi tepla a hučení, světlý.

Light - je univerzálním jazykem vesmíru. Jeho rychlost - 299 792,458 km / s - zůstává konstantní. Mezitím, prostor a čas jsou poddajný. Možná bychom neměli přemýšlet o tom, jak se pohybovat rychleji než světlo, a tak rychle procházet tímto prostorem a tentokrát? Dospívají ke kořenu, tak říkajíc?