Это Большой Адронный Коллайдер, самый мощный ускоритель элементарных частиц в мире на данный момент. Он разгоняет пучки протонов до чудовищно огромной скорости 299 792 455 м/с. Это реально много, сравните со скоростью света: 299 792 458 м/с. Всего 3 м/с не хватает, чтобы они неслись так же, как фотоны!
И 3 м/с, серьезно? Это же вообще пфф... скорость бега трусцой! Неужели нельзя чуть-чуть там подкрутить что-то, подбавить мощности, и разогнаться быстрее скорости света?
Увы, это невозможно. Даже теоретически ни один материальный объект не может двигаться быстрее скорости света в вакууме. Это закон, и ни в одном эксперименте отклонений от него не обнаружено.
Но есть этому объяснение? Почему во Вселенной вообще существует ограничение на скорость? Почему мы не можем разгоняться, разгоняться и разгоняться, если у нас достаточно энергии? Неужели остановит вот такая полиция скорости света?
Но, кроме шуток, объяснение этому есть. И я считаю оно одно из самых красивых и элегантных в физике. Дело в том, что во Вселенной абсолютно все движется со скоростью света. Звучит бредово и невероятно, но, обо всем по-порядку!
Масса
Для начала нужно отметить, что согласно теории относительности, с ростом скорости увеличивается масса.
На малых скоростях это незаметно, но при приближении к скорости света она увеличивается до бесконечности! И при разгоне не хватит энергии даже всей Вселенной, чтобы хотя бы достичь световой скорости! Тем более, ее преодолеть! Вот такое фундаментальное ограничение. Так что при разгоне энергия будет тратиться не на увеличение скорости, а на увеличение массы.
Хочу успокоить тех, кто бегает, чтобы сбросить лишний вес. Не переживайте, как только вы остановитесь, масса уменьшится до обычного значения. Главное на весах не двигайтесь слишком быстро.
Вот только увеличение массы объясняет не все. Например, почему фотоны, безмассовые частицы, тоже никогда скорости света не превышают? Оказывается, само пространство и время устроены совершенно не так, как мы обычно себе представляем. Но если понять их истинную суть, все становится на свои места!
Четвертое измерение — время
Отталкиваться нужно от того, что мы живем в четырехмерном мире. Помимо трех пространственных измерений (длины, ширины и высоты) есть еще одно, временное.
Давайте для удобства возьмем только одну пространственную координату, и одну временную, Х и Т.
Допустим, какой-то объект перемещается вдоль оси Х. Мы можем обозначать его положения в каждый момент времени. Все они будут образовывать, так называемую, мировую линию. Заметьте, это не траектория объекта в пространстве, он движется только влево или вправо. Это его положение в разные моменты времени.
Если что-то покоится, его мировая линия – вертикальная прямая. Если движется, то наклонная. Чем больше скорость, тем больше наклон, потому что за один и тот же промежуток времени преодолевается большее расстояние. Можно даже обозначить наклон, соответствующий скорости света. Или скорости Флеша, например. Как видите, он даже быстрее!
И самое интересное, что в нашем мире нет неподвижных объектов! Даже если Вы сейчас сидите у компьютера, то у Вас тоже есть скорость! Только Вы перемещаетесь не в пространстве, а во времени, вдоль временной оси. Но это присуще и подвижным телам тоже.
Если на этом этапе все понятно, начинается самое интересное! Теперь мы готовы к ответу на вопрос «Почему скорость света максимальна?», и он вас точно удивит!
4-скорость
Дело в том, что раз мы в четырехмерном пространстве, то и скорость тоже четырехмерная. Ее называют 4-скорость. Она показывает, как быстро тело движется в пространстве-времени. Ее можно обозначать на графике, она направлена по касательной к мировой линии:
Но мы начертим для 4-скорости другой график, где будем раскладывать ее на составляющие. По горизонтальной оси будет откладываться компонента движения в пространстве (то есть обычная скорость). По вертикальной оси – компонента движения в времени. Тут посложнее, но сейчас разберемся. Главное, что две составляющих образуют вектор 4-скорости.
Итак, вы сидите ровно, ничего не делаете. Тогда перемещаетесь только во времени, со скоростью 1 секунда в секунду. И 4-скорость просто вертикальна. Но, если начать движение, появится другая составляющая. Вектор 4-скорости будет наклонен.
И теперь самое важное. То, о чем я сказал в начале. Оказывается, 4-скорость всегда одна и та же по величине! Она равняется скорости света! Мы все абсолютно, даже когда неподвижны, несемся в пространстве-времени с одной и той же 4-скоростью, и ни увеличить, ни уменьшить мы ее не можем. Можно только поменять направление. Это как будто мы едем по автобану, у нас заклинило педали тормоза и газа, и единственное что можно делать, это поворачивать рулем влево-вправо!
То есть, если начать двигаться, мы ничего не добавляем к 4-скорости! Мы просто меняем ее направление. От этого и возникает составляющая обычного движения в пространстве. И чем быстрее мы идем, тем больше наклон 4-скорости.
Обратите внимание, при этом уменьшается скорость движения во времени! Это и есть тот эффект замедления времени, которым знаменита теория относительности. Все так и есть: чем быстрее вы движетесь в пространстве, тем медленнее движетесь во времени.
И самое важное. По мере нарастания скорости угол будет все меньше и меньше. Пока 4-скорость просто не станет горизонтальной! Это как раз соответствует движению в пространстве со скоростью света!
И куда дальше? Как бы мы не поворачивали 4-скорость, ее компонента больше никак не станет! Вот он предел, дальше которого ну просто невозможно! Он следует напрямую из самих свойств нашего мира!
То есть двигаться быстрее скорости света, это тоже самое что «быть горизонтальней горизонтального». Но согласитесь, это и правда невозможно.
Маленькое уточнение
Стоит отметить, что это очень упрощенное объяснение. Тру-физики будут фыркать и приговаривать что масса не увеличивается, она инвариант, а меняется импульс:
Что метрика пространства-времени неевклидова, и составляющие 4 скорости совсем другие.
Они совершенно правы. Но для первого приближения, для передачи сути можно пользоваться такими упрощениями.
Заключение
Почему мне так нравится это объяснение? Мы часто принимаем за конечную истину то, что понятно интуитивно. Например, если что-то толкнуть, оно разгоняется. Нам кажется, что мир устроен именно так, как мы его ощущаем.
Но это не тот случай. Мы видим, воспринимаем только вершину айсберга, только часть чего-то большего. На самом деле все вокруг нас – объекты, их движение, течение времени, являются только следствием более глобальных и фундаментальных законов физики! Мир устроен сложнее чем кажется на первый взгляд. И, как показывает практика, истинное устройство мира контринтуитивно!
Все что происходит в трех измерениях, в четырех может выглядеть совершенно иначе! Так же, как и трехмерные объекты в двухмерном мире выглядят по-другому.
Так что фундаментальные законы нашего четырехмерного мира могут в корне отличаться от того, что мы наблюдаем на своем жизненном опыте. Это вполне нормально, и не должно удивлять. Особенно то, что в четырехмерном мире все движется с одинаковой скоростью. Мир не обязан быть простым.
Но это заставляет думать, напрягать извилины, искать другие подходы и открывать что-то новое! Ну разве это не прекрасно? Так что не останавливайтесь на достигнутом, докапывайтесь до сути, мыслите критически, ищите здравое зерно в рассуждениях. И тогда картина мира будет вырисовываться прямо перед вашими глазами!
Полезные ссылки
О геометрии пространства-времени: http://www.inp.nsk.su/~grozin/rel/rel.html
Тензоры для чайников: http://ffmgu.ru/images/0/0e/Tensor_dla_chainikov_gavrilov.pdf
О 4-скорости и 4-ускорении (eng): http://www.gregegan.net/ORTHOGONAL/02/Motion.html
Статья написана на основе материала: https://hi-news.ru/science/prosto-o-slozhnom-pochemu-skorost-sveta-maksimalna.html