Это был сентябрь 2011 года, и физик Антонио Эредитато потряс мир. Сделанное им открытие обещало радикально изменить наши знания о Вселенной. Если данные, собранные 160 учеными, работающими над проектом OPERA, были правильными, то произошло немыслимое. Группа частиц, в данном случае нейтрино, путешествовала быстрее света.
Согласно теории относительности Альберта Эйнштейна, это было невозможно. И последствия были огромны. Многие аспекты физики должны быть изменены. В итоге результат OPERA оказался неверным из-за проблем с синхронизацией из-за плохо подключенного кабеля. Как следствие, измерения того, сколько времени потребовалось нейтрино, чтобы пройти расстояние, были неправильными на 73 наносекунды, и это выглядело так, как будто они путешествовали быстрее, чем свет.
Эредитато подал в отставку.
Но действительно ли мы уверены, что ничто не может путешествовать быстрее света?
Вопрос веса
Давайте рассмотрим этот вопрос. Скорость света в вакууме составляет 299 792 458 километров в секунду (близко к круглой цифре в 300 000 км / с). Солнце находится в 150 млн. Км от Земли, и свету требуется только восемь минут и 20 секунд, чтобы пройти это расстояние.
В начале 1960-х годов Уильям Бертоцци из Массачусетского технологического института в США экспериментировал с ускорением электронов на все более высоких скоростях.
Поскольку электроны имеют отрицательный заряд, их можно продвигать, применяя один и тот же отрицательный заряд к материалу. Теоретически, вам нужно только увеличить приложенную энергию, чтобы достичь необходимой скорости 300 000 км / с, но оказалось, что электроны не могут двигаться так быстро.
Эксперименты Бертоцци показали, что использование большего количества энергии вызывало только пропорциональное увеличение скорости электрона.
Свет состоит из частиц, называемых фотонами. Почему эти частицы могут путешествовать со скоростью света, а другие частицы, такие как электроны, не могут?
«По мере того, как объекты движутся быстрее, их масса растет и чем больше масса, тем сложнее добиться ускорения, поэтому они никогда не достигают скорости света», - объясняет Роджер Расул, физик из Мельбурнского университета в Австралии.
Эйнштейн, всегда Эйнштейн
Фотоны совершенно особенные. Мало того, что им не хватает массы, что дает им свободу действий, когда дело доходит до пересечения пустот, таких как пространство, но им также не нужно ускоряться. Природная энергия, которую они имеют, означает, что когда они образуются, они уже достигают максимальной скорости.
Мы не наблюдали и не создали ничего, что могло бы двигаться так же быстро или быстрее, чем фотоны. Почему так важно, чтобы правило скорости света было таким строгим?
Ответ часто встречается в физике у человека по имени Альберт Эйнштейн. Его теория относительности исследует многие последствия этих универсальных ограничений скорости.
Одним из важных элементов относительности является то, что скорость света является постоянной. Независимо от того, где вы находитесь или как быстро вы двигаетесь, свет всегда движется с одинаковой скоростью. Представьте, что свет от фонарика проецируется на зеркало на потолке неподвижного космического корабля. Свет будет светить вверх, отражаться от зеркала и опускаться, чтобы коснуться пола корабля. Допустим, пройденное расстояние составляет 10 метров.
Теперь представьте, что космический корабль начинает лететь со скоростью много тысяч километров в секунду. Если вы проведете тот же тест с фонариком, свет будет работать так же, как и раньше. Тем не менее, вам придется путешествовать по диагонали, а не по вертикали. Ведь зеркало быстро движется вместе с космическим кораблем.
Таким образом, расстояние, которое проходит свет, увеличивается, но теории Эйнштейна утверждают, что свет продолжает двигаться с той же скоростью. Поскольку скорость - это расстояние, деленное на время, для того, чтобы скорость была одинаковой (поскольку расстояние увеличилось) время также должно увеличиться.
Как это возможно? Благодаря явлению, известному как замедление времени. Это означает, что для людей, путешествующих на быстрых транспортных средствах, время течет медленнее, чем для тех, кто не движется.
Например, время, на Международной космической станции на 0,007 секунды медленнее, так как МКС движется со скоростью 7,66 км / с относительно Земли по сравнению с людьми на планете.
Вещи становятся интересными для частиц, так как электроны могут путешествовать со скоростями, близкими к скорости света. Для этих частиц степень замедления времени может быть большой. Если бы объекты могли двигаться быстрее света, они бы не подчинялись этим фундаментальным законам, которые описывают, как работает Вселенная.
Большую часть этой статьи мы думали с точки зрения видимого света. Но на самом деле свет намного больше, чем это. Все, от микроволновых радиоволн до видимого света, ультрафиолетового излучения, рентгеновского излучения и гамма-излучения, испускаемого при разложении атомов, состоит из одного и того же материала: фотонов.
Вместе эти лучи образуют электромагнитный спектр. Тот факт, что радиоволны, например, распространяются со скоростью света, чрезвычайно полезен для связи. Эта скорость (299 792 458 км / с) остается постоянной для нашего спокойствия.
Между тем, пространственно-временные отношения податливы и позволяют каждому испытать одни и те же законы физики, независимо от их положения или движения.
