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.

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