Вы наверняка хотя бы раз слышали о том, что скорость света – максимальная из возможных, и во Вселенной не существует ничего и никого, кто мог бы двигаться быстрее. Кроме, пожалуй, Барри Аллена. Ему можно. Если быть точным, то ничто не может превысить скорость света в вакууме. Но мы уловить разницу между перемещением света в воздухе и космическом пространстве попросту не сможем. Поэтому, если вы будете опускать слово «вакуум», вас не осудят.
Так почему нельзя двигаться быстрее скорости света? Потому что, согласно Общей теории относительности, при приближении к околосветовой скорости масса объекта стремится к бесконечности, а энергию он получает такую, что она его попросту разрушит. В противном случае все это будет противоречить основным законам физики. И пусть люди постоянно ищут способы обойти эти ограничения, например, с помощью квантовой телепортации или создания варп-двигателей из Звездного пути, переместиться из точки А в точку Б быстрее света мы все еще не можем.
«Потому что это противоречит законам физики» – достаточно точный и емкий ответ. Но всегда ведь хочется знать, почему это противоречит законам физики. В большинстве ссылок, которые Гугл выдаст вам по этому вопросу, будет написано что-то подобное:
Скорость света в вакууме (299 792 км/с) - это абсолютный предел, превысить который невозможно, что следует из законов физики.
Представьте себе космический корабль, летящий со скоростью, равной половине скорости света. Если находящийся на его борту космонавт посветит прожектором в направлении движения, то не будет ли для неподвижного наблюдателя скорость луча прожектора в 1,5 раза больше скорости света? Как ни странно, нет. Скорость света всегда одна и та же, независимо от того, измеряется она неподвижным наблюдателем или человеком на борту звездолета. Это кажущееся противоречие устраняется только в специальной теории относительности Эйнштейна, согласно которой с точки зрения неподвижного наблюдателя время на быстро движущемся корабле замедляется, а расстояние укорачивается. Из-за релятивистского изменения промежутков времени и расстояний на борту быстро летящего корабля измеренная астронавтом скорость света будет такой же, как и скорость света, измеренная внешним неподвижным наблюдателем. Другое следствие теории относительности - увеличение массы движущегося объекта с увеличением его скорости. Так, с приближением скорости корабля к скорости света его масса стремится к бесконечности.
Если такого объяснения вам было достаточно, дальше можете статью не читать, потому что не увидите в ней ничего нового для себя. Но многие пользователи интернета с физикой на «вы», поэтому жонглирование понятиями типа «релятивистская масса» не объяснит им всей сути и будет очень скучным. К тому же, как объяснить такое детям, которые только что столкнулись со скоростью света в курсе школьной физики? Они точно не смогут углубиться в вопрос настолько серьезно. Поэтому давайте попытаемся объяснить, почему скорость света максимальна, более простым языком.
Порассуждаем на эту тему с помощью старой доброй геометрии. Не спешите расстраиваться, она не сложнее, чем рисование графиков и позволяет более наглядно понять рассматриваемую тему, заменяя все сложные термины более простыми аналогиями.
Итак, фундаментальная геометрия Вселенной описывается восемью направлениями: шестью пространственными и двумя временными. Все они вам прекрасно известны. Во-первых, это четыре стороны: юг, север, запад, восток. Во-вторых – понятия «вверх» и «вниз». Вместе данные направления составляют так называемый ортогональный базис, но сейчас не о нем. Эти направления существуют в каждой точке пространства, где мы находимся. Да, в космосе нет верха и низа, но поместите себя в космический корабль, и они тут же появятся. Поэтому просто будем считать все эти стороны абсолютными.
Осталось добавить лишь два временных направления, которые вам также хорошо известны: в будущее и в прошлое. Если с пространственным перемещением у нас обычно проблем не бывает, то с временными есть одна небольшая заминка – мы не можем двигаться назад. Будущее нам еще предстоит пережить, поэтому мы постоянно движемся к нему, а вот прошлое уже пережито, и вернуться туда нельзя.
Эти восемь направлений не просто так названы фундаментальными. Они образуют четыре пары измерений: влево-вправо, вверх-вниз, вперед-назад и от прошлого к будущему. Это четыре измерения, в которых мы с вами живем, из которых «состоит» наша Вселенная, пространство-время. Насчет того, насколько корректно такое приравнивание, можно спорить долго, но в рамках этой статьи пусть данные термины будут синонимами. Так всем будет проще.
Теперь, когда введение наконец закончилось, можно приступать к объяснениям. В данный момент, независимо от того, где вы находитесь, и что делаете, вы пребываете в движении. Движетесь вы не только в пространстве вместе со все планетой и даже галактикой, но и во времени – в будущее.
Проще всего понять это, представив себя в самолете. Современные аппараты летают так мягко, что вы можете даже не почувствовать никакого перемещения. Даже если вы выглянете в иллюминатор, скорее всего, не сможете наблюдать меняющиеся внизу пейзажи из-за большой высоты. А если еще и погода облачная, то подавно.
Как тогда узнать, что вы действительно движетесь? Очень просто – подождать. Когда самолет приземлится, вы окажетесь совершенно в другом месте, отличном от того, в которым вы были несколько часов назад. В реальной жизни вы, конечно же, будете осознавать, что самолет не может просто висеть в воздухе, да и увидите новые пейзажи при посадке. Но давайте отбросим все это для чистоты эксперимента.
Эта метафора отлично описывает вас прямо сейчас. Самолет – это все, что вас окружает в данный момент, весь мир. Даже сидя на одном месте, вы все равно пребываете в движении, потому что движетесь в новый день. И если конечная цель – долететь до «Завтра», вы никогда не сможете этого сделать, потому что каждый день – это сегодня. Каждый день мы пытаемся достичь этого мифического «завтра», но все наши попытки тщетны. И даже при этом мы останавливаемся и упорно продолжаем движение во времени вперед.
Даже если вы будете сидеть в своем кресле, а люди вокруг вас будут двигаться, вы прибудете в новый день в одно и то же время. Почему? Потому что для вас, ваших соседей, кота, попугая и любого другого существа время движется с одинаковой скоростью. Двигаться быстрее вы не сможете, потому что чем быстрее движетесь вы, тем медленнее – все вокруг вас. Даже будь вы Барри Алленом, вы и ваши окружающие все равно встречали бы следующий час одновременно. Просто вы за этот час могли бы сделать гораздо больше, и он показался бы вам намного длиннее, чем обычно.
Если вам все это понятно, давайте представлять дальше. Движение во времени можно сравнить какой-нибудь гоночной игрой, где вы управляете автомобилем, движущемся по дороге вперед. Он имеет автоматическое ускорение, поэтому вы не можете никак повлиять на скорость – вам остается лишь рулить.
В игре вы, конечно, можете врезаться в препятствие и тем самым замедлиться или подобрать бонус ускорения, чтобы прийти к финишу быстрее. В жизни так, естественно, не получится. Вы можете рулить своей жизнью во Вселенной как хотите, но она все равно доставит вас в будущее одновременно со всеми. Ускорить или замедлить этот процесс вы не в состоянии.
Неважно, продолжите вы сейчас читать эту статью или закроете ее и станете заниматься другими делами. В каком бы направлении вы ни пошли, что бы ни делали, Самолет Вселенной прибудет в новый день точно по расписанию. Вы можете изменить свою скорость движения в пространстве, но никак не во времени.
Но как все это вообще относится к скорости света и тому, почему быстрее нее двигаться нельзя? Уже скоро все поймете. Давайте мысленно (или на бумаге, если хотите) нарисуем еще одну простую ассоциацию – график. Не беспокойтесь, он будет очень простым. Нарисуйте две стандартные оси, где ось X – это скорость движения в пространстве, а Y – во времени.
Теперь поставьте карандаш на пересечении двух осей и проведите линию ровно вертикально вверх (да, ровно по оси Y). Когда остановитесь, нарисуйте стрелочку. Полученный отрезок, а точнее луч, в физике называется 4-вектор или 4-скорость. Он определяет вашу текущую скорость движения в пространстве-времени. Сейчас, пока вы сидите на месте и рисуете этот график, вы движетесь именно так, только во времени, не перемещаясь в пространстве (опустим движение вместе с планетой). Сейчас вы неподвижны, значит относительно оси X ваша координата не меняется, так как ваша скорость в пространстве – 0 км/ч. А относительно Y вы все равно продолжаете двигаться вперед с равномерной скоростью, потому что во времени иначе нельзя. То есть, продолжая в том же духе, то есть ничего не делая, каждый новый час вы будете проходить за час. Логично правда?
Но что если вы начнете двигаться в пространстве? Тогда ваш 4-вектор начнет поворачиваться вправо. Эта стрелка по естественным причинам никогда не повернется вниз и влево от оси Y (потому что отрицательной скорости не бывает), однако она может быстрее или медленнее наклоняться к оси X в зависимости от того, насколько быстро вы движетесь.
Сейчас вы наверняка заметили, что стрелка уже не совпадает с игреком, а смотрит вбок, хотя все еще направлена вверх. Значит ли это, что скорость вашего передвижения во времени изменилась? Специальная теория относительности говорит, что да. Это эффект «замедления времени», который ощущается тем сильнее, чем быстрее вы движетесь. То есть, если вы будете бежать, почти как Флэш, ваш 4-вектор практически ляжет на ось X, замедлив ваше движение во времени чуть ли не до нуля. 4-вектор – индивидуален для каждого, поэтому все остальные вокруг этого не почувствуют. Они лишь увидят, что вы очень и очень быстро перемещаетесь из точки А в точку Б.
Вот теперь пришло время ответить на вопрос, почему «быстрее света» невозможно в принципе. Помните, что чем быстрее вы перемещаетесь, тем больше ваш 4-вектор наклоняется к оси X. Максимальное значение здесь – это скорость света. Когда вы достигнете ее, вектор полностью ляжет пространственную ось и вам покажется, будто время вокруг полностью остановилось. Что же будет, если продолжать наращивать скорость? 4-вектор не может стать больше или меньше, он всегда имеет одинаковый размер, а также он не может повернуться вниз, так движение назад во времени невозможно. Но, если вы продолжите увеличивать скорость и обгоните свет, вектор будет вынужден продолжать поворачиваться и все-таки зайдет за ось X, тем самым устремившись вниз по отношению к Y. То есть, если развить скорость быстрее света, вы начнете двигаться назад во времени, что в принципе невозможно, так как это, неожиданно, противоречит законам физики.
Даже если предположить, что вам удастся пересечь эту границу и двигаться быстрее света, вы все равно не сможете достичь точки Б быстрее него, так как начнете идти назад во времени. В итоге вы и свет прибудете в разные точки Б в разном времени. Ни одно событие во Вселенной не может произойти быстрее, чем движется свет. И это даже не говоря о том, что, опережая свет, вы не будете видеть ничего перед собой и станете практически бесконечно тяжелым. Как думаете, насколько длинным был бы ваш тормозной путь в этом случае?
Естественно, все эти сравнения и ассоциации не претендуют на звание «истинной истины», потому что даже самая ОТО все еще является теорией. Однако в рамках общепринятой школьной физики ваши познания только что стали чуточку больше.
