Скорость света

Кадр из мультфильма NASA

Если вы любите научную фантастику про космос, то наверняка знаете истории, где человечество путешествует по Вселенной на космических кораблях. Чтобы быстро перемещаться из одной точки необъятного космоса в другую, они оснащены варп-двигателями, которые позволяют достигать скоростей, превышающих скорость света (300 000 километров в секунду). К сожалению, на данный момент таких двигателей не существует. Но давайте представим, что они уже созданы и вы можете прямо сейчас отправиться в космическое путешествие? Допустим, у вас уже есть фантастический корабль и все, что вам остается это запустить двигатель и отправиться в любую из понравившихся вам галактик. По словам представителей NASA, во время перемещения по космосу со скоростью света, у пилотов могут возникнуть серьезные проблемы. Чтобы рассказать о них, космическое агентство и художники представили мультфильм, в котором инопланетное существо отправляется в космический отпуск. Получилось очень познавательно!

Варп-двигатель вымышленный тип двигателей из научно-фантастических книг и фильмов. По словам фантастов, оснащенные ими космические корабли могут достигать скорости света и быстро перемещаться между галактиками. О варп-двигателях часто упоминается в фильмах и сериалах Звездный путь и книгах американского писателя Айзека Азимова.

Опасность скорости света

О видеоролике и истории его создания было рассказано в издании ScienceAlert. Хочется скорее перейти к сути мультфильма, поэтому в историю создания особо углубляться не будем. Скажу только то, что основную роль в его разработке играли эксперты из Goddard Media Studios, которые в основном и занимаются производством красивых видео для агентства NASA. По сюжету, забавное инопланетное существо построило космический корабль и собирается отправиться в космическое путешествие со скоростью света. Но он не знает о возможных проблемах, и закадровый голос вкратце о них рассказывает.

Итак, вы только что обновили свой космический корабль, и теперь он может летать со скоростью света. Мы не знаем, как вам это удалось, но поздравляем! Прежде чем вы улетите в космос, посмотрите это видео, чтобы узнать больше о проблемах, которые могут возникнуть при полете со скоростью света.

Отложив в сторону вопрос о том, как собрать космический корабль из фантастических фильмов, авторы сразу переходят к перечислению проблем:

• во-первых, при достижении скорости света у пилотов в корне меняется ощущение пространства и времени;
• во-вторых, при движении на огромных скоростях, космический корабль будет сталкиваться с немыслимым количеством космических частиц, которые могут буквально поджарить корпус;
• в-третьих, при слишком быстром достижении скорости света, корабль может не выдержать нагрузки и развалиться на части.

Читайте также: Почему скорость света максимальна?

Подготовка к полету

В плане изменения ощущения пространства и времени все просто. Если вы полетите в другую галактику, вам может показаться, что полет занял всего лишь несколько дней, хотя на Земле уже пройдут тысячи лет. Этот момент отчасти показан в фильме Интерстеллар, поэтому тем, кто не смотрел еще одна рекомендация. Решить эту проблему невозможно, потому что таковы законы Вселенной. Можно лишь психологически подготовиться к тому, что к моменту приезда из космического отпуска у путешественника не будет ни работы, ни семьи.

Один час на этой планете равен семи годам на Земле

Для защиты от столкновения с космическими частицами необходимо как следует продумать конструкцию космического корабля. Даже в нынешних ракетах и кораблях используются материалы, которые не повреждаются от столкновений и выдерживают нагревание до высоких температур. Между внешней поверхностью конструкций и капсулой, в которой сидят астронавты, есть дополнительные слои, которые охлаждают воздух.

Кадр из фильма Звездные войны

А для решения третьей проблемы нужно придумать способ постепенного набора скорости. Хотя, с этим не должно возникнуть особых сложностей, потому что создание технологии мгновенного достижения скорости света кажется еще более тяжелой задачей. А если же скорость будет достигаться мгновенно, можно подумать о методах укрепления конструкции корабля, чтобы он выдерживал даже самые большие нагрузки.

Если вам интересны новости науки и технологий, подпишитесь на наш канал в Яндекс.Дзен. Там вы найдете материалы, которые не были опубликованы на сайте!

Достижение скорости света

Примерный внешний вид устройства Breakthrough Starshot

Работы над созданием космических кораблей, способных разгоняться до скорости света, уже идут. Например, авторы проекта Breakthrough Starshot разрабатывают устройство, которое сможет набрать хотя бы 20% от скорости света. Когда он будет создан, его отправят к удаленной от нас на 4,37 световых лет звездной системе Альфы Центавра. В идеале, полет должен занять около 20 лет и еще 5 лет устройству понадобится для того, чтобы отправить нам уведомление о своем прибытии. На данный момент ожидается, что устройство будет представлять собой небольшую пластинку, которая ускоряется за счет направленных лазерных лучей. Подробнее о нем и аналогичном проекте NASA можно почитать в этом материале.

Почему молния всегда сопровождается громом, но не одновременно? Источник изображения: iu-mebel.ru

Мы все хоть раз замирали у окна во время грозы: небо рассекает ослепительная вспышка, а спустя несколько секунд или доли секунды воздух сотрясает гром. Кажется странным ведь молния и гром рождаются одновременно. Так почему мы видим одно, а слышим другое с задержкой? Ответ кроется в физике и самой природе света и звука.

Скорость света и звука: почему молния видна раньше грома

Свет от молнии распространяется почти мгновенно со скоростью около 300 000 км/с. Поэтому мы видим её сразу, где бы ни находились.

Звук грома идёт куда медленнее всего 343 м/с при нормальной температуре воздуха. Именно поэтому до наших ушей он добирается позже. Если молния ударила в километре от вас, гром придёт примерно через три секунды.

Кстати, этот эффект позволяет измерить примерное расстояние до грозы: достаточно посчитать секунды между вспышкой и громом, а затем разделить на три.

Молния и гром единое явление, просто скорость света и звука сильно отличаются. Источник изображения: dailymail.co.uk

Как образуется гром во время молнии

Молния это гигантский электрический разряд, который мгновенно нагревает воздух до температуры выше 30 000 C в пять раз горячее поверхности Солнца! Воздух стремительно расширяется, возникает ударная волна именно её мы слышим как гром.

Кстати, в этом году в России была зафиксирована самая мощная молния силой 424 килоампера от неё трескались окна и вибрировала земля!

Интересный факт: чем ближе гроза, тем резче и громче звук. Вдали он становится более глухим и раскатистым из-за отражений от облаков и земли.

Читайте также: можно ли смотреть телевизор и пользоваться электроприборами в грозу?

Почему молния и гром всегда связаны друг с другом

Хотя мы воспринимаем их по-разному, молния и гром это одно событие. Световой всплеск и ударная волна всегда рождаются вместе, просто природа развела их по разным скоростям. Так что грозовые ночи это маленький урок физики прямо из окна: сначала свет, потом звук.

Еще больше свежих статей вы найдете в нашем Telegram-канале. Подпишитесь прямо сейчас!

Удивительно, но иногда скорость света становится ниже

Говорят, что скорость света это потолок Вселенной, выше которого не может разогнаться ни один объект. Но если копнуть чуть глубже, выясняется, что некоторые вещи все-таки способны преодолеть этот барьер , правда, с одной важной оговоркой. Они не являются вещами в привычном смысле. Давайте разберемся, что именно стоит за этим парадоксом и почему физики не видят в нем противоречия.

Чему равна скорость света

Для начала поговорим про конкретные цифры. Скорость света в вакууме это ровно 299 792 458 метров в секунду. Для удобства ее обычно округляют до 300 000 км/с. В километрах в час это и вовсе головокружительная величина около 1 079 252 849 км/ч. Чтобы представить масштаб, пойите, что за одну секунду свет мог бы обогнуть Землю по экватору почти 7,5 раз.

Интересно, что число 299 792 458 м/с это не результат последнего замера, а определение. С 1983 года сам метр привязан к скорости света: один метр это расстояние, которое свет проходит в вакууме за 1/299 792 458 секунды. Поэтому скорость света не может стать точнее она по определению точна.

Эта величина одна из фундаментальных констант природы. Она не зависит ни от того, кто ее измеряет, ни от того, как движется источник света. Именно на этом построена специальная теория относительности Эйнштейна.

Почему скорость света выше скорости звука

Чтобы по-настоящему прочувствовать, насколько свет быстр, полезно сравнить его со звуком. Скорость звука в воздухе при обычных условиях примерно 343 м/с, или около 1235 км/ч. Это значит, что свет быстрее звука примерно в миллион раз.

Каждый из нас наблюдал это вживую. Во время грозы мы сначала видим вспышку молнии и лишь через несколько секунд слышим гром именно потому, что свет добирается до наших глаз практически мгновенно, а звуку нужно время.

Но главное различие даже не в скорости. Звук это колебания среды: воздуха, воды, металла. Без среды он не может существовать в космическом вакууме полная тишина. А свет это электромагнитная волна, которой никакая среда не нужна. Он прекрасно летит через абсолютную пустоту.

Будь в курсе новых событий по максимуму подписывайся на наш канал в Max!

Скорость света в воде и других средах

Когда мы говорим скорость света, почти всегда имеем в виду скорость в вакууме. Но в реальном мире свет почти всегда проходит через какую-то среду воздух, воду, стекло. И в каждой из них он замедляется.

Насколько зависит от показателя преломления среды. Для воды он равен примерно 1,33. Это значит, что скорость света в воде около 225 000 км/с, то есть на четверть меньше, чем в вакууме. В воздухе замедление совсем крохотное всего на 90 км/с. А вот в алмазе свет тормозится почти в 2,5 раза.

Почему это важно? Потому что в среде, где свет замедлен, другие частицы теоретически могут двигаться быстрее него. Например, электрон, влетающий в воду с околосветовой скоростью, обгоняет свет в этой воде. При этом возникает красивое голубоватое свечение эффект Вавилова-Черенкова, о котором мы уже подробно рассказывали. Но даже в этом случае электрон не превышает скорость света в вакууме.

Свечение Вавилова-Черенкова. Источник изображения: 24hitech.ru

Почему ничто с массой не может достичь скорости света

Вот здесь начинается самое интересное. Специальная теория относительности объясняет: чтобы разогнать объект с массой до скорости света, потребуется бесконечное количество энергии. Буквально бесконечное. Не очень много, а математически бесконечное!

Представьте, что вы толкаете тележку в гору, которая становится все круче. Чем ближе к вершине, тем больше сил нужно на каждый следующий метр. А вершина при этом всегда остается чуть впереди. Примерно так работает разгон массивного тела: чем ближе к скорости света, тем больше энергии уходит на каждый дополнительный метр в секунду.

На практике физики давно научились разгонять частицы до 99,9999% от скорости света в ускорителях вроде Большого адронного коллайдера. Но оставшаяся доля процента требует колоссальных затрат энергии, и достичь ровно 100% невозможно.

А вот безмассовые частицы, фотоны, ведут себя ровно наоборот. Они всегда летят со скоростью света и не могут двигаться медленнее (в вакууме). Скорость света это единственная скорость, на которой они существуют.

Часть Большого адронного коллайдера. Источник изображения: wikimedia.org

Что может двигаться быстрее скорости света

Если ни один объект с массой не способен разогнаться до скорости света, то что же тогда может ее превысить? Ответ: не-вещи явления, которые не переносят ни материю, ни информацию.

Самый простой пример тень. Представьте, что вы машете рукой перед мощным прожектором, а тень падает на очень далекую стену. Край тени на стене перемещается гораздо быстрее вашей руки. Если стена достаточно далеко, тень запросто движется быстрее света. Но тень это не объект. Она не несет массу и не передает информацию. Это просто отсутствие света.

Другой пример расширение Вселенной. Две далекие галактики могут разлетаться друг от друга со скоростью, превышающей скорость света. Но дело в том, что разлетаются не сами галактики, а растягивается само пространство между ними. Галактики просто сидят на расширяющейся ткани космоса, как точки на надувающемся воздушном шарике.

Ни тень, ни расширение пространства не переносят информацию быстрее скорости света. А значит, фундаментальный запрет не нарушается.

Расширение Вселенной: пространство растягивается, и галактики удаляются друг от друга

Что такое тахион в физике

В физике существует гипотетическая частица под названием тахион. Если она существует, то всегда движется быстрее света и не может замедлиться до световой скорости зеркальное отражение обычных частиц. Но ни один тахион до сих пор не был обнаружен экспериментально. Пока это чисто теоретическая конструкция.

Были и громкие заявления. В 2011 году эксперимент OPERA вроде бы зафиксировал нейтрино, летящие быстрее света. Но позже оказалось, что виной всему был неисправный кабель оптоволоконного соединения. После исправления ошибки нейтрино вернулись в рамки привычных законов физики.

Обсудить эту тему можно в нашем Telegram-чате. Присоединяйтесь к нам!

Скорость света остается главным ограничением для всего, что имеет массу и несет информацию. Физики называют ее не просто скоростью света, а скоростью причинности максимальной скоростью, с которой одно событие может повлиять на другое во Вселенной. Тени, расширяющееся пространство и квантовые корреляции этот запрет формально обходят, но ни одно из них не позволяет послать письмо быстрее фотона. И пока ни один эксперимент в истории физики этого не опроверг.

Квантовая физика интригует, так как содержит в своей основе некоторую тайну.

Если квантовая теория верна, то от таких квантовых частиц как атомы, можно ожидать очень странного поведения. Но несмотря на хаос, коим может показаться квантовая физика, в этом удивительном мире крошечных частиц действуют свои собственные законы. Недавно команде ученых из Университета Бонна удалось доказать, что в квантовом мире на уровне сложных квантовых операций действует ограничение скорости. Атомы, будучи маленькими неделимыми частицами, в некотором смысле напоминают пузырьки шампанского в бокале. Описать их можно как волны материи, однако их поведение больше напоминает бильярдный шар а не жидкость. Каждый, кому в голову придет идея очень быстро переместить атом из одного места в другое, должен действовать со знанием дела и сноровкой как у опытного официанта на банкете не пролив ни капли шампанского из десятка бокалов на подносе, лавируя между столиками. Но даже в таком случае экспериментатор столкнется с определенным ограничением скорости лимитом, превысить который невозможно. Полученные в ходе исследования результаты важны для работы квантовых компьютеров, а эта область, как наверняка знает уважаемый читатель, в последние годы активно развивается.

Ограничение скорости на примере атома цезия

В исследовании, опубликованном в журнале Physical Review X, физикам удалось экспериментально доказать существование лимита скорости во время сложных квантовых операций. В ходе работы ученые из Университета Бонна, а также физики из Массачусетского технологического института (MIT), Исследовательского центра Юлиха, университетов Гамбурга, Кельна и Падуи экспериментальным путем выяснили где именно проходит ограничение.

Для этого авторы научной работы взяли атом цезия и направили два идеально наложенных друг на друга лазерных луча друг против друга. Цель исследования заключалась в максимально быстрой доставке атома цезия в нужное место таким образом, чтобы атом не «выпал» из обозначенной «долины», как капля шампанского из бокала. Такую суперпозицию физики называют инферференцией, она создает стоячую световую волну, которая напоминает изначально недвижимую последовательность «гор» и «долин». В ходе эксперимента физики загрузили атом цезия в одну из таких «долин», а затем привели в движение стоячую световую волну, которая сместила положение «долины».

Стоячая электромагнитная волна периодическое изменение амплитуды напряженности электрического и магнитного полей вдоль направления распространения, вызванное интерференцией падающей и отраженной волн.

Автор исследования Маноло Ривера Лам (слева) и ведущий автор научной работы доктор Андреа Альберти (справа) из Института прикладной физики Университета Бонна. университета.

Сам факт того, что в микромире существует ограничение скорости, был теоретически продемонстрирован более 60 лет назад двумя советскими физиками Леонидом Мандельштамом и Игорем Таммом. Они показали, что максимальная скорость в квантовых операциях зависит от энергетической неопределенности, то есть от того, насколько «свободна» манипулируемая частица по отношению к своим возможным энергетическим состояниям: чем больше у нее энергетической свободы, тем она быстрее. Например, в случае транспортировки атома цезия, чем глубже «долина», в которую попадает атом, тем более распределены энергии квантовых состояний в «долине», и в конечном итоге тем быстрее атом можно переместить.

Нечто похожее можно увидеть внимательно наблюдая за официантом в ресторане: если он наполняет бокалы наполовину (по требованию гостя), то шансы пролить шампанское уменьшаются, несмотря на скорость, с которой официант разливает напиток. Тем не менее энергетическую свободу отдельно взятой частицы нельзя просто так взять и увеличить. «Мы не можем сделать нашу «долину» бесконечно глубокой, потому что это требует слишком много энергии», пишут авторы исследования.

Чтобы всегда быть в курсе последних научных открытий в области физики и высоких технологий, подписывайтесь на наш новостной канал в Telegram!

Новые результаты для науки

Ограничение скорости, предложенное Мандельштамом и Таммом фундаментальное. Однако достигнуть его можно при определенных обстоятельствах, а именно в системах только с двумя возможными квантовыми состояниями. В случае проведенного исследования, например, это происходило когда пункт отправления и пункт назначения находились чрезвычайно близко друг к другу. «Тогда волны материи атома в обоих местах накладываются друг на друга, и атом может быть доставлен прямо к месту назначения за один раз, то есть без каких-либо промежуточных остановок. Это похоже на телепортацию в сериале «Звездный Путь», рассказали авторы исследования изданию Phys.org.

И все же, ситуация меняется, когда расстояние между пунктом отправления и пунктом назначения увеличивается до нескольких десятков значений волны материи, как в эксперименте исследователей из Университета Бонна. На такие расстояния прямая телепортация невозможна. Вместо телепортации, чтобы достигнуть пункта назначения, частица должна пройти ряд промежуточных расстояний: и именно здесь ситуация из двухуровневой переходит в многоуровневою.

Читайте также: Может ли квантовая механика объяснить существование пространства-времени?

В мире атомов действуют свои собственные законы, часто непонятные и незаметные для стороннего наблюдателя.

Результаты исследования показали, что к таким процессам применяется более низкий предел скорости, чем обозначили советские ученые: он определяется не только неопределенностью энергии, но и числом промежуточных состояний. Все вышеописанное означает, что новое исследование улучшает теоретическое понимание сложных квантовых процессов и ограничений.

Атомы и квантовые компьютеры

Как отмечают физики, полученные результаты применимы в области квантовых компьютеров. Все потому, что проведенный эксперимент посвящен переносу атома, а подобные процессы происходят и в квантовом компьютере. Когда квантовые биты реализуются атомами, они должны перенестись из одной области процессора в другую. Это именно тот процесс, который нужно делать очень быстро, иначе вся его связность пропадет. Благодаря квантовому пределу скорости теперь можно точно предсказать, какая скорость теоретически возможна.

Так так выглядит 50-кубитный квантовый компьютер IBM.

Для квантовых компьютеров, однако, полученные результаты не означают предел вычислительной скорости. Тот факт, что квантовый компьютер может вычислять так быстро, в первую очередь связан не с длительностью как таковой, а скорее с количеством операций. Квантовому компьютеру для выполнения определенной задачи требуется гораздо меньше операций, чем обычному компьютером. Вычисление с помощью квантового компьютера похоже на поиск выхода из лабиринта без необходимости последовательно проверять все возможные пути. Именно в этом и заключается ускорение: нужно только один раз отправить квантовый компьютер через лабиринт, в то время как с классическим компьютером нужно опробовать очень большое количество вариантов один за другим.

Вам будет интересно: В Китае создан квантовый компьютер, который решил самую сложную задачу за 200 секунд

По мнению ведущего автора исследования Андреа Альберти, в этом смысле нет никаких последствий для вычислительной мощности квантового компьютера. Но квантовый предел скорости интересен и по другой причине обнаруженный предел показывает, что возможно выполнение значительно большего числа операций, чем считалось раньше.

Последние комментарии