Скорость света — самая необычная величина измерения, которая известна на сегодняшний момент. Первым человеком, который попытался объяснить феномен распространения света, был Альберт Эйнштейн. Именно он вывел всем известную формулу E = mc ² , где E — это полная энергия тела, m — масса, а c — скорость света в вакууме.

Формула была впервые опубликована в журнале Annalen der Physik в 1905 году. Примерно в то же время Эйнштейн выдвинул теорию о том, что будет происходить с телом, перемещающимся с абсолютной скоростью. Исходят из того, что скорость света — величина неизменная, он пришёл к выводу, что должны изменяться пространство и время.

Таким образом, при световой скорости предмет будет бесконечно сжиматься, его масса бесконечно увеличиваться, а время практически остановится.

В 1977 году удалось вычислить скорость света, была названа цифра в 299 792 458 ± 1,2 метров в секунду. Для более грубых расчетов всегда принимается значение в 300 000 км/с. Именно от этой величины и отталкиваются все остальные космические измерения. Так появилось понятие «светового года» и «парсека» (3,26 световых лет).

Ни двигаться со скоростью света, ни, тем более, преодолеть её — невозможно. По крайней мере, на данном этапе развития человечества. С другой стороны, писатели-фантасты уже порядка 100 лет пытаются решить эту проблему на страницах своих романов. Возможно, однажды фантастика станет реальностью, ведь еще в XIX веке Жюль Верн предсказал появление вертолёта, самолёта и электрического стула, а тогда это была чистая фантастика!

Тени, могут перемещаться быстрее света, но не могут переносить вещество или информацию

Возможен ли сверхсветовой полёт?

Разделы этой статьи имеют подзаголовки и можно ссылаться на каждый раздел отдельно.

Простые примеры сверхсветового перемещения

1. Эффект Черенкова

Когда мы говорим о движении со сверхсветовой скоростью, то имеем в виду скорость света в вакууме c (299 792 458 м/с). Поэтому эффект Черенкова не может рассматриваться как пример движения со сверхсветовой скоростью.

2. Третий наблюдатель

Если ракета A улетает от меня со скоростью 0.6c на запад, а ракета B улетает от меня со скоростью 0.6c на восток, то я вижу, что расстояние между A и B увеличивается со скоростью 1.2c . Наблюдая полёт ракет A и B со стороны, третий наблюдатель видит, что суммарная скорость удаления ракет больше, чем c .

Однако относительная скорость не равна сумме скоростей. Скорость ракеты A относительно ракеты B - это скорость увеличения расстояния до ракеты A , которую видит наблюдатель, летящий на ракете B . Относительную скорость нужно рассчитывать по релятивистской формуле сложения скоростей. (см. How do You Add Velocities in Special Relativity?) В данном примере относительная скорость примерно равна 0.88c . Так что в этом примере мы не получили сверхсветовой скорости.

3. Свет и тень

Подумайте, как быстро может перемещаться тень. Если лампа близко, то тень твоего пальца на дальней стене движется гораздо быстрее, чем движется палец. При движении пальца параллельно стене, скорость тени в D/d раз больше, чем скорость пальца. Здесь d - расстояние от лампы до пальца, а D - от лампы до стены. Скорость будет ещё больше, если стена расположена под углом. Если стена очень далеко, то движение тени будет отставать по времени от движения пальца, так как свету нужно время, чтобы достичь стены, но скорость перемещения тени по стене увеличится ещё больше. Скорость тени не ограничена скоростью света.

Другой объект, который может перемещаться быстрее света - световое пятно от лазера, направленного на Луну. Расстояние до Луны 385000 км. Вы можете сами рассчитать скорость перемещения светового пятна по поверхности Луны при небольших колебаниях лазерной указки в вашей руке. Вам также может понравиться пример с волной, набегающей на прямую линию пляжа под небольшим углом. С какой скоростью может перемещаться вдоль пляжа точка пересечения волны и берега?

Все эти вещи могут происходить в природе. Например, луч света от пульсара может пробежать вдоль пылевого облака. Мощный взрыв может создать сферические волны света или радиации. Когда эти волны пересекаются с какой-либо поверхностью, на этой поверхности возникают световые круги, которые расширяются быстрее света. Такое явление наблюдается, например, когда электромагнитный импульс от вспышки молнии проходит через верхние слои атмосферы.

4. Твёрдое тело

Если у вас есть длинный жёсткий стержень, и вы ударите по одному концу стержня, то разве другой конец не придёт в движение немедленно? Разве это не способ сверхсветовой передачи информации?

Это было бы верно, если бы существовали идеально жёсткие тела. Практически, удар передаётся вдоль стержня со скоростью звука, которая зависит от упругости и плотности материала стержня. Кроме того теория относительности ограничивает возможные скорости звука в материале величиной c .

Этот же принцип действует, если вы держите вертикально струну или стержень, отпускаете его, и он начинает падать под действием силы тяжести. Верхний конец, который вы отпустили, начинает падать немедленно, но нижний конец начнёт движение только через некоторое время, так как исчезновение удерживающей силы передаётся вниз по стержню со скоростью звука в материале.

Формулировка релятивистской теории упругости довольно сложна, но общую идею можно иллюстрировать с использованием ньютоновской механики. Уравнение продольного движения идеально-упругого тела можно вывести из закона Гука. Обозначим линейную плотность стержня ρ , модуль упругости Юнга Y . Продольное смещение X удовлетворяет волновому уравнению

ρ·d 2 X/dt 2 - Y·d 2 X/dx 2 = 0

Решение в виде плоских волн перемещается со скоростью звука s , которая определяется из формулы s 2 = Y/ρ . Волновое уравнение не позволяет возмущениям среды перемещаться быстрее, чем со скоростью s . Кроме того, теория относительности даёт предел величине упругости: Y < ρc 2 . Практически, ни один известный материал не приближается к этому пределу. Учтите также, что если даже скорость звука близка к c , то само вещество не обязательно движется с релятивистской скоростью.

Хотя в природе нет твёрдых тел, существует движение твёрдых тел , которое можно использовать для преодоления скорости света. Эта тема относится к уже описанному разделу теней и световых пятен. (См. The Superluminal Scissors, The Rigid Rotating Disk in Relativity).

5. Фазовая скорость

Волновое уравнение
d 2 u/dt 2 - c 2 ·d 2 u/dx 2 + w 2 ·u = 0

имеет решение в виде
u = A·cos(ax - bt), c 2 ·a 2 - b 2 + w 2 = 0

Это синусоидальные волны, распространяющиеся со скоростью v
v = b/a = sqrt(c 2 + w 2 /a 2)

Но это больше, чем c. Может это уравнение для тахионов? (см. далее раздел ). Нет, это обычное релятивистское уравнение для частицы с массой.

Чтобы устранить парадокс нужно различать "фазовую скорость" v ph , и "групповую скорость" v gr , причём
v ph ·v gr = c 2

Решение в виде волны может иметь дисперсию по частоте. При этом волновой пакет движется с групповой скоростью, которая меньше, чем c . При помощи волнового пакета можно передавать информацию только с групповой скоростью. Волны в волновом пакете движутся с фазовой скоростью. Фазовая скорость - ещё один пример сверхсветового движения, которое нельзя использовать для передачи сообщений.

6. Сверхсветовые галактики

7. Релятивистская ракета

Пусть наблюдатель на Земле видит космический корабль, удаляющийся со скоростью 0.8c В соответствии с теорией относительности, он увидит, что часы на космическом корабле идут медленнее в 5/3 раза. Если разделить расстояние до корабля на время полёта по бортовым часам, то получим скорость 4/3c . Наблюдатель делает вывод, что, используя свои бортовые часы, пилот корабля тоже определит, что летит со сверхсветовой скоростью. С точки зрения пилота его часы идут нормально, а межзвёздное пространство сжалось в 5/3 раза. Поэтому он пролетает известные расстояния между звёздами быстрее, со скоростью 4/3c .

Но это всё же не сверхсветовой полёт. Нельзя рассчитывать скорость, используя расстояние и время, определённые в разных системах отсчёта.

8. Скорость гравитации

Некоторые настаивают, что скорость гравитации гораздо больше c или даже бесконечна. Посмотрите Does Gravity Travel at the Speed of Light? и What is Gravitational Radiation? Гравитационные возмущения и гравитационные волны распространяются со скоростью c .

9. Парадокс ЭПР

10. Виртуальные фотоны

11. Квантовый туннельный эффект

В квантовой механике туннельный эффект позволяет частице преодолеть барьер, даже если её энергии для этого не хватает. Можно рассчитать время туннелирования через такой барьер. И оно может оказаться меньше, чем требуется свету для преодоления такого же расстояния со скоростью c . Можно ли это использовать для передачи сообщений быстрее света?

Квантовая электродинамика говорит "Нет!" Тем не менее, выполнен эксперимент, продемонстрировавший сверхсветовую передачу информации при помощи туннельного эффекта. Через барьер шириной 11.4 см со скоростью 4.7 c передана Сороковая симфония Моцарта. Объяснение этого эксперимента очень противоречиво. Большинство физиков считают, что при помощи туннельного эффекта нельзя передать информацию быстрее света. Если бы это было возможно, то почему не передать сигнал в прошлое, поместив оборудование в быстро перемещающуюся систему отсчета.

17. Квантовая теория поля

За исключением гравитации, все наблюдаемые физические явления соответствуют "Стандартной модели". Стандартная модель - это релятивистская квантовая теория поля, которая объясняет электромагнитные и ядерные взаимодействия, а также все известные частицы. В этой теории любая пара операторов, соответствующих физическим наблюдаемым, разделённым пространственноподобным интервалом событий, "коммутирует" (то есть, можно поменять порядок этих операторов). В принципе, это подразумевает, что в стандартной модели воздействие не может распространяться быстрее света, и это можно считать квантово-полевым эквивалентом довода о бесконечной энергии.

Однако в квантовой теории поля Стандартной модели нет безупречно строгих доказательств. Никто пока даже не доказал, что эта теория внутренне непротиворечива. Скорее всего, это не так. Во всяком случае, нет гарантии, что не существует каких-то пока не открытых частиц или сил, которые не подчиняются запрету на сверхсветовое перемещение. Нет также и обобщения этой теории, включающего гравитацию и общую теорию относительности. Многие физики, работающие в области квантовой гравитации, сомневаются, что простые представления о причинности и локальности будут обобщены. Нет гарантии, что в будущей более полной теории скорость света сохранит смысл предельной скорости.

18. Парадокс дедушки

В специальной теории относительности частица, летящая быстрее света в одной системе отсчета, движется обратно во времени в другой системе отсчета. Сверхсветовое перемещение или передача информации давали бы возможность путешествия или отправки сообщения в прошлое. Если бы такое путешествие во времени было возможно, то вы могли бы вернуться в прошлое и изменить ход истории, убив своего дедушку.

Это очень серьёзный аргумент против возможности сверхсветового перемещения. Правда остаётся почти неправдоподобная вероятность, что возможны какие-то ограниченные сверхсветовые перемещения, не допускающие возвращения в прошлое. Или, может быть, путешествия во времени возможны, но причинность нарушается каким-то непротиворечивым образом. Всё это очень неправдоподобно, но если мы обсуждаем сверхсветовые перемещения, то лучше быть готовым к новым идеям.

Верно и обратное. Если бы мы могли переместиться в прошлое, то смогли бы преодолеть скорость света. Можно вернуться в прошлое, полететь куда-то с небольшой скоростью, и прибыть туда раньше, чем прибудет свет, отправленный обычным образом. Смотрите подробности по этой теме в Time Travel.

Открытые вопросы сверхсветовых путешествий

В этом последнем разделе я опишу несколько серьёзных идей о возможном перемещении быстрее света. Эти темы не часто включают в FAQ, потому что они больше похожи не на ответы, а на множество новых вопросов. Они включены сюда, чтобы показать, что в этом направлении проводятся серьёзные исследования. Даётся только короткое введение в тему. Подробности вы можете найти в интернете. Как и ко всему в интернете, относитесь к ним критически.

19. Тахионы

Тахионы - это гипотетические частицы, локально перемещающиеся быстрее света. Для этого они должны иметь мнимую величину массы. При этом энергия и импульс тахиона - реальные величины. Нет оснований считать, что сверхсветовые частицы невозможно обнаружить. Тени и световые пятна могут перемещаться быстрее света и их можно обнаружить.

Пока тахионы не найдены, и физики сомневаются в их существовании. Были заявления, что в экспериментах по измерению массы нейтрино, рождающихся при бета-распаде трития, нейтрино были тахионами. Это сомнительно, но пока окончательно не опровергнуто.

В теории тахионов есть проблемы. Кроме возможного нарушения причинности, тахионы также делают вакуум нестабильным. Может быть удастся обойти эти трудности, но и тогда мы не сможем использовать тахионы для сверхсветовой передачи сообщений.

Большинство физиков считает, что появление тахионов в теории - признак каких-то проблем этой теории. Идея тахионов так популярна у публики просто потому, что они часто упоминаются в фантастической литературе. Смотрите Tachyons.

20. Кротовые норы

Самый известный способ глобального сверхсветового путешествия - использование "кротовых нор". Кротовая нора - это прорезь в пространстве-времени из одной точки вселенной в другую, которая позволяет пройти от одного конца норы до другого быстрее, чем по обычному пути. Кротовые норы описываются общей теорией относительности. Для их создания требуется изменить топологию пространства-времени. Может быть, это станет возможным в рамках квантовой теории гравитации.

Чтобы удерживать кротовую нору открытой, нужны области пространства с отрицательной энергий. C.W.Misner и K.S.Thorne предложили для создания отрицательной энергии использовать эффект Казимира в большом масштабе. Visser предложил использовать для этого космические струны. Это очень умозрительные идеи, и может быть, это невозможно. Может быть, требуемая форма экзотической материи с отрицательной энергией не существует.

Тема «Двигателя, позволяющего летать со сверхсветовой скоростью», «Путешествия в многомерном пространстве» и всего, что имеет отношение к теме полета со скоростью, превышающей световую, пока что не выходит за рамки домыслов, хотя в каких-то аспектах и соприкасается с миром науки. Сегодня мы находимся на стадии, когда знаем, что мы кое-что знаем, а чего-то не знаем, но уж точно не знаем, можно ли перемещаться со скоростью, превышающей скорость света.

Плохая новость заключается в том, что основы современных научных знаний, накопленных к данному моменту, свидетельствуют о том, что движение со скоростью, превышающей световую, невозможно. Это артефакт Специальной теории относительности Эйнштейна. Да, существуют иные концепции - сверхсветовых частиц, кротовых нор (туннели в пространстве - прим. перев. ), инфляционной вселенной, деформации пространства и времени, квантовых парадоксов... Все эти идеи обсуждаются в серьезной научной литературе, но пока еще рано говорить об их реальности.

Один из вопросов, появляющихся в связи с движением со сверхсветовой скоростью, это временные парадоксы: нарушение причинно-следственных связей и что подразумевается под путешествием во времени. Как будто темы полета со сверхсветовой скоростью мало, так еще и реальна ли разработка сценария, при котором сверхсветовая скорость даст возможность путешествия во времени. Путешествие во времени считается гораздо более невозможным, чем световой полет.

В чем основное отличие?

Едва преодолев звуковой барьер, люди задались вопросом: «А почему бы нам теперь еще и не преодолеть световой барьер, так ли уж сильно это отличается?» Слишком рано говорить о преодолении светового барьера, но кое-что уже известно наверняка - это совершенно иная проблема, нежели преодоление звукового барьера. Звуковой барьер был преодолен объектом, сделанным из материала, а не звука. Атомы и молекулы материала соединены электромагнитными полями, из чего состоит и свет. В случае с преодолением барьера скорости света, предмет, пытающийся преодолеть этот барьер, состоит из того же, что и сам барьер. Как объект может двигаться быстрее того, что связывает его атомы? Как мы уже отмечали, это уже совсем другая проблема, нежели преодоление звукового барьера.

Можно очень кратко изложить «Специальную теорию относительности». На самом деле она очень проста по своей конструкции… Начните с двух простых правил.

Правило №1: пройденное вами расстояние (d) зависит от скорости вашего движения (v) и времени движения (t). Если вы едете со скоростью 55 миль в час, вы проедете за час 55 миль. Просто.

Правило №2: Это потрясающая вещь - как бы быстро вы не двигались, вы постоянно будете отмечать, что скорость света остается неизменной.

Соедините их вместе и сравните, что «видит» один путешественник по сравнению с тем, кто движется с другой скоростью - вот тут и появляются проблемы. Давайте попробуем иную картину. Закройте глаза. Представьте, что из всех органов чувств у вас задействован лишь слух. Вы воспринимаете только звуки. Вы определяет предметы только по тому, какой звук они издают. Итак, если проехал паровоз, его гудок хоть как-то изменился? Мы знаем, что он звучит на определенной ноте, но из-за движения поезда она меняется вследствие действия так называемого эффекта Доплера. То же самое происходит и со светом. Все вокруг себя мы знаем благодаря присутствию света или, если обобщить, электромагнетизму. То, что мы видим, чувствуем (молекулы воздуха отскакивают от нашей кожи), слышим (молекулы ударяются между собой под давлением волн), даже течение времени - все это управляется электромагнитными силами. Так что если мы начинаем двигаться на скоростях, приближающихся к скорости, через которую мы получаем всю информацию, наша информация искажается. В общем, это вот так просто. Понимания этого достаточно, если с этим пытаешься что-то делать. Но это уже другой вопрос.

Барьер скорости света является одним из следствий Специальной теории относительности. На это можно взглянуть иначе. Чтобы двигаться быстрее, нужно добавить энергии. Но когда вы начинаете приближаться к скорости света, необходимый для движения объем энергии взлетает до бесконечности. Для перемещения массы со скоростью света требуется бесконечная энергия. Оказывается, здесь вы сталкиваетесь с реальным барьером.

Можно ли обойти Специальную теорию относительности? Вероятно.

Проводятся ли какие-то исследования в этом направлении? Да, но в небольшом объеме.

В дополнение к индивидуальной теоретической работе таких физиков, как Мэт Виссер (Matt Visser), Майкл Моррис (Michael Morris), Мигель Алькубьерре (Miguel Alcubierre) и других существует качественно новая программа НАСА в области физики реактивного движения.

Материалы ИноСМИ содержат оценки исключительно зарубежных СМИ и не отражают позицию редакции ИноСМИ.

Не так уж сложно перемещаться в пределах солнечной системы. Несмотря на то, что расстояния здесь измеряются миллиардами километров, это можно назвать местными перелетами. Но межзвездное путешествие совсем другое дело. «Одна из самых сложных проблем, которые ставит перед нами физика это ограничение по скорости света», – Памела Л. Гей. Когда речь идет о том, чтобы превысить скорость света, физики в один голос заявляют, что это невозможно, мы вынуждены согласиться.

Возможна ли сверхсветовая скорость?

Но почему скорость света является предельной во вселенной? Вы просто не можете переместиться из одной точки в другую быстрее света, разве что ваша масса меньше. Существует одна пока не разрешимая проблема, чем быстрее вы движетесь, тем больше ваша масса и для увеличения скорости требуется все больше и больше энергии. Только фотоны света, которые не имеют массы, могут двигаться со скоростью света. Но всему, что обладает массой, требуется бесконечное количество энергии, чтобы достичь такой скорости, это просто невозможно.

Сверхсветовая скорость в научной фантастике

В научной фантастике преодоление скорости света не проблема, у такого рода технологий множество названий: варп-двигатель, гипердрайв, сверхсветовой двигатель, звездные врата и т.п. Все меньше и меньше ученые, которые выросли, глядя на то, как их герои носятся по галактике, склонны отрицать возможность полетов на сверхсветовых скоростях.

Сверхсветовая скорость - смелые идеи

Ученый по имени Мигель Алькубьер сформулировал некое понятие о том, как сверхсветовой двигатель заводится, расширяя и сжимая пространство перед кораблем. И не было ничего такого, ни в теории Эйнштейна, ни в чьей либо еще, где говорилось бы, что пространство не может растягиваться или сжиматься быстрее скорости света. Собственно мы думаем, что так оно и было при рождении вселенной. Пространство расширилось гораздо быстрее скорости света спустя микросекунды после большого взрыва, в результате чего появилась наша вселенная.

«Будь у вас достаточно энергии, вы бы могли расширить и сжать пространство перед собой со скоростью в сотню раз превышающей скорость света, чтобы полететь со сверхсветовой скоростью, несмотря на то, что в собственном пространственном пузыре вы бы ее не достигли».

Астрофизикам удалось зафиксировать пример преодоления барьера сверхсветовой скорости, в форме импульса, излучаемого пульсаром.

Теоретические выкладки и лабораторные опыты позволили предположить, что объект может преодолеть , не нарушая при этом принципа теории относительности. Теперь же астрофизикам удалось отметить реальный пример этого явления, изучая распространение радиоимпульсов от пульсаров.

Сверхсветовая скорость может быть достигнута при условии аномальной дисперсии, то есть при условии, что показатель преломления среды будет возрастать во время прохождения сквозь нее световой волны. Предположим, что сквозь пространство проходит единичный импульс, состоящий из световых волн разной длины. В этом случае общая скорость импульса может быть больше, чем скорость каждой отдельной волны, хотя энергии импульса продолжает перемещаться со скоростью света. То есть принципы теории относительности нарушены не будут.

Эксперименты проводились группой ученых во главе с Фредериком Дженетом в обсерватории, расположенной в Пуэрто-Рико. Ученые в течение трех дней проводили наблюдение за излучением пульсара PSR B1937+21, расположенного на расстоянии в 10 000 световых лет от Земли. Измерения проводились на частоте 1420,4 МГц при ширине полосы в 1,5 МГц. Наблюдения показали, что центральные импульсы, прибывали раньше расчетного времени, то есть перемещались со скоростью, превышающую скорость света.

Пульсаром называют нейтронную звезду, которая вращается с огромной скоростью и периодически излучает импульсы энергии. На скорость прохождения импульсов в пространстве может оказать влияние несколько разных факторов. К примеру, попав в магнитное поле, импульсы могут поменять плоскость поляризации, при столкновении со свободными электронами импульс распадется, а «встреча» с нейтральным водородом обернется поглощением импульса.

Дженет считает, что на скорость перемещения импульсов немалое влияние оказывает и аномальная дисперсия. По версии ученых импульсы проходят через водородное облако с резонансной частотой 1420,4 МГц. Под влиянием дисперсии групповая скорость излучения изменилась, дойдя до сверхсветовых значений. И импульсы, имеющие частоты близкие к резонансным, прибыли к Земле быстрее остальных. Это напоминает изменение скорости когда вы делаете пополнение счета Билайн и любого другого оператора.

По версии ученых, достижение сверхсветовых скоростей стало возможным при «взаимодействии масштабов времени среды и самого импульса». Такое явление уже удавалось наблюдать в условиях лабораторий, но вот в естественной среде подобное наблюдение было сделано впервые. Открытие позволит ученым-астрономам изучить состав межзвездного вещества, в частности облаков из не ионизированного водорода, расположенных в нашей галактике.

Научная фантастика или научный факт?