Астрономия + Скорость света

Скорость света в вакууме — это абсолютный космический предел скорости. Ничто не может двигаться быстрее, чем 3,0 x 108 метров в секунду (точнее, 299 792 458 м/с или 1 079 252 848,8 км/ч).

Согласно законам физики, когда мы приближаемся к скорости света, мы должны выделять все больше и больше энергии, чтобы заставить объект двигаться. Чтобы достичь скорости света, вам понадобится бесконечное количество энергии, а это невозможно!

Возможно, вы слышали, что объект, движущийся со скоростью света, приобретает бесконечную массу. Но это не совсем так. На самом деле объект не набирает физическую массу, но ведет себя так же, как будто приобретает.

Например, если человек весом 65 кг путешествует со скоростью 50% скорости света, он будет вести себя так, как если бы его масса составляла 87 кг. На 90% он будет вести себя так, как если бы он весил 172 кг.

Итак, если масса не может двигаться со скоростью света, как же может двигаться свет? Свет состоит из фотонов (кварков света), которые являются безмассовыми частицами и поэтому им не требуется энергия для движения.

Если для перемещения световых частиц не требуется никаких усилий, почему фотоны не могут двигаться быстрее скорости света?

Замедление времени. Время замедляется, когда вы приближаетесь к скорости света, а когда вы ее достигаете, время останавливается.

Для фотона нет времени, для него все происходит мгновенно. Пытаться заставить фотон двигаться быстрее скорости света — все равно что остановить машину и потом заставить ее ехать еще медленнее. Это невозможно!

В повседневной жизни замедление времени влияет на нас постоянно, но его влияние настолько незначительно, что мы не можем его увидеть. Согласно теории относительности, «движущиеся часы идут медленно».

Это означает, что если вы сбросите часы со скалы, время, которое они покажут, будет немного отстать от часов, которые не были сброшены со скалы. Так обстоит дело со всеми часами, механическими и биологическими.

На самом деле вы стареете медленнее на высоких скоростях, но вам придется путешествовать довольно быстро, чтобы заметить большую разницу.

Например, тот, кто был на международной космической станции в течение 6 месяцев, будет старше на 0,005 секунды, чем тот, кто жил на Земле. МКС облетает Землю каждые 90 минут, но ее скорость всего лишь 0,003% скорости света. Если бы вы путешествовали на космическом корабле со скоростью 99% от скорости света всего несколько минут, для ваших друзей на Земле прошли бы десятилетия.

Если бы мы могли видеть, что происходит, человек, движущийся к вам со скоростью света, казался бы синим, поскольку световые волны, которые отражаются от него и попадают в ваш глаз, сжимались бы и уплотнялись вместе, что делало длину волны короче. Это так называемое синее смещение.

Точно так же, если бы человек удалялся от вас, световые волны растягивались бы, увеличивая длину волны, и он казался бы красными, и это называется красным смещением. Для человека, путешествующего со скоростью света, все перед ним будет сжиматься в нечто, похожее на размытый туннель, внешнее кольцо туннеля будет красным, а внутреннее — синим.

Все дело в том, что фотон не разгоняется до скорости света. Скорее, фотон уже движется со скоростью света, когда он появляется. Это не похоже на то, как фотон мгновенно перескакивает с нулевой скорости на световую.

Скорее, фотон всегда движется с момента своего создания. Если вы думаете о фотоне как о твердом шарике, то вы вправе считать абсурдным, что он уже мог лететь с высокой скоростью в момент своего создания. Например, прежде чем шарик из пластилина сможет полететь, вы должны сначала слепить шар, а затем бросить его, чтобы он набрал скорость.

Ключ в том, что фотон — нетрадиционная частица. Скорее это квантовый объект, который отчасти является волной, а отчасти частицей. Когда создается фотон, он действует в основном как волна, и волны без проблем движутся с определенной скоростью с момента их создания.

Например, подвигайте рукой вверх и вниз по неподвижной поверхности пруда, и вы создадите водные волны, которые будут колебаться от вашей руки. Волны на воде не начинаются неподвижно, а затем медленно набирают скорость по мере удаления. Волны на воде уже движутся со своей номинальной скоростью в тот момент, когда вы начинаете их создавать. Так ведут себя волны.

Волны возникают из-за того, что деформация в материальной среде или в полевой среде заставляет среду возвращаться к состоянию равновесия, но она выходит за пределы этого состояния и, следовательно, в конечном итоге колеблется взад и вперед, все время приводя соседние области в одно и то же движение.

Следовательно, скорость волны определяется способностью среды отскочить назад, а не внешним воздействием, толкающим волну, чтобы разогнать ее до различных скоростей. Если сильнее воздействовать на среду, то гребни волн становятся выше.

Однако это не заставит волну двигаться в космосе быстрее. Если среда постоянна в области пространства и на всех частотах движения, то скорость волны будет постоянной в этой области. В области однородной среды волна не может ускоряться. Следовательно, если волна создается в такой области, она должна создаваться со скоростью волны в этой области.

Это не просто квантовая концепция. Это применимо ко всем волнам, от сейсмических волн, океанских волн и звуковых волн. Некоторые люди говорят, что причина, по которой фотон движется со скоростью света в момент своего создания, заключается в том, что он является безмассовой частицей и, следовательно, всегда должен двигаться со скоростью света.

Хотя верно, что фотон не имеет массы и поэтому всегда движется со скоростью света во всех системах отсчета, это не является причиной того, что он создается уже со скоростью. Причина просто в том, что это волна.

Другие квантовые объекты, такие как электрон, имеют массу, и у них нет проблем с созданием на некоторой ненулевой скорости без необходимости разгоняться до этой скорости. Все квантовые объекты частично являются волнами и поэтому могут иметь определенную скорость в момент своего создания.

Например, свободный нейтрон в конечном итоге распадается на протон и при этом создает электрон и антинейтрино. Этот распад многократно наблюдался экспериментально. Электрон, который создается в этом процессе, улетает с определенной скоростью, которую он имеет в момент своего создания, без какого-либо ускорения. Электрон может это сделать, даже если он имеет массу, потому что он обладает волнообразными свойствами.

Заголовок: Парадокс со скоростью света.

Здравствуйте, Владимир Георгиевич. Меня зовут Михаил Пашков. Я выпускник Южного Федерального Университета. Теле-журналист по специальности. Ныне сотрудник (моушн-дизайнер) телеканала RT.

Свой вопрос начну с низкого поклона в вашу сторону за то, что вы делаете. Мне долго рекомендовали ваш научно-образовательный контент, но я смотрел упрямо американских популяризаторов науки, пока случайно не наткнулся на вас и не понял, что лучший популяризатор астрономии и физики живёт в России.

Пишу вам не от имени университета и уж тем более не от имени телеканала. Пишу вам лично от себя. Меня давно интересует один вопрос, который вы, вероятно, охотно бы использовали в рамках своей научно-популяризаторской деятельности, чтобы ответить мне и создать увлекательный контент для своих фанатов.

Меня триггернуло на написание этого письма ваше видео про путешествия со скоростью света. А конкретно вы со своим коллегой в видео, упомянули, бесспорно научный, факт, о том, что скорость света для любой точки отчёта (даже движущейся со скоростью близкой к скорости света) постоянна. Так же вы оба признали то, что это знание контр-интуитивно.

Это безусловно так! И для того чтобы это проиллюстрировать я придумал парадокс кота Эйнштейна. И даже используя, свои навыки по компьютерной анимации сделал об этом мультфильм: https://www.youtube.com/watch?v=zPcfNjRlG7w

Сразу прощу прощения за немного вульгарную стилистику самого мультфильма. Я пытался максимально расширить аудиторию, чтобы на найти ответ на свой вопрос и прогадал. Видео собрало всего тысячу просмотров.

Сейчас же я понимаю, что мой парадокс неверно сформулирован. Преобразование Лоренса уравновешивает обе точки отчета в моём видео.

А сформулировать его нужно иначе: на 13-ой минут известный американский популяризатор «Веритасиум» в этом видео: https://www.youtube.com/watch?v=wKXsHqExLGQ  предлагает мысленный эксперимент, где луч лазера направлены в бок космического корабля, для разных точек отчета ведёт себя по разному и попадает на разные точки на линейке для двух разных наблюдателей из разных точек отчёта.

Если, допустим, этот лазер на столько горяч, что смертоносен, а на на линейке есть сквозное отверстие в соседний отсек, то Лазер убьёт кота Эйнштейна. Но для другой системы отчета, кот Эйнштейна будет жив! Обе системы отчёта могу затормозить относительно друг друга и встретиться. Для одной кот будет жив, а для другой — мёртв. Когда учёный из второй системы отчёта передаст первой живого кота и предложит погладить, что случится?

Я не хочу славы, или типа того… меня правда двигает живое любопытство и попытка достоить картину мира. Скорее всего не прав я и одновременно со мной ошибся Веритасиум. Но так это же повод изобличить ошибку Веритасиума! Так ведь? Очень надеюсь, что вы мне разрешите мою дилемму.

--

С превеликим уважением.
Михаил Пашков