Бескрайняя пустыня и машина, мчащаяся в ночи. Фары включены, лучи света устремляются вперёд, освещая путь. Всё привычно и понятно – пока не задали (а его действительно задал подписчик) каверзный вопрос: «А если машина с включенными фарами будет ехать со скоростью света, она будет освещать себе дорогу или нет?». Стоп… Звучит как научная фантастика, но за этим вопросом – настоящая физика, пусть очень странная и непривычная. Итак, давайте разбираться вместе.
Никто и ничто не может двигаться со скоростью света
Для начала давайте вспомним одно из главных открытий XX века, специальную теорию относительности Альберта Эйнштейна. Она говорит, что скорость света в вакууме – это предел, который нельзя превысить и никакой объект с массой не может достичь и тем более превысить эту скорость!
И не просто потому, что «так захотелось физикам» или «так устроено», а потому, что для любого наблюдателя в любой системе отсчёта свет всегда движется со скоростью примерно 300 000 км/с (если быть точным, то 299 792 458 метров в секунду) – это фундаментальная физическая константа, обозначаемая буквой c.
Другими словами, ничто, что способно излучать свет (или любое электромагнитное излучение), не может двигаться со скоростью света.
Да-да! Только безмассовые частицы, такие как фотоны, могут двигаться со скоростью света. Любая машина, человек, даже пылинка – всё имеет массу. А значит, разогнаться до скорости света невозможно: для этого понадобилась бы бесконечная энергия. Так что «машина, летящая со скоростью света» это физически невозможная ситуация.
Ну, ладно, допустим, мы это делать умеем.
Давайте представим, что наша машина мчится очень близко к скорости света – скажем, 99,999999…% от скорости света.
И вот тут начинается самое интересное. Есть две противоположные версии, как поведет себя луч, который будет исходить из фар, мчащейся на скорости света машины и 3 варианта ответа на этот вопрос.
Вариант 1.
Версия первая, которая отвечает на вопрос, будут ли фары освещать дорогу, если ехать со скоростью света?
Что увидит водитель?
Для водителя, сидящего внутри машины, всё выглядит нормально. Он включает фары и свет устремляется вперёд с околосветовой скоростью. Это потому, что в его собственной системе отсчёта он покоится, а мир вокруг него мчится назад. Законы физики внутри его «пузыря» работают точно так же, как в вашей комнате.
Что увидит пешеход?
Неподвижный наблюдатель на обочине увидит, как из фар вырываются лучи света… и они всё равно будут двигаться со скоростью света с, а не «c + скорость машины», как можно было бы подумать. Именно это и удивило учёных в начале XX века – скорости не складываются линейно, когда речь идёт о свете.
Таким образом, даже если машина летит почти со скоростью света, её фары всё равно будут освещать дорогу и для водителя, и для внешнего наблюдателя. Правда, свет будет сильно сдвинут по частоте: вперёд в ультрафиолет или даже рентген, а назад в инфракрасный или радиодиапазон. Но он всё равно будет распространяться вперёд.
По первой версии получается, что и для водителя, и для стороннего пешехода фары будут освещать дорогу.
Вариант 2.
А вот совершено другая точка зрения на то, освещает ли дорогу автомобиль на скорости света, и она тоже имеет место быть.
Что увидит водитель?
Итак, у автомобиля включены фары, и в его собственной системе отсчёта свет освещает, скажем, 100 метров дороги впереди. Для водителя всё выглядит нормально: свет уходит вперёд со скоростью с и видимость есть.
Что увидит пешеход?
Из-за релятивистского сокращения длины (одного из эффектов специальной теории относительности) все расстояния вдоль направления движения для стороннего наблюдателя сильно сожмутся.
И для внешнего наблюдателя эта «освещённая зона» – то есть расстояние от машины до переднего края светового пятна – окажется сжатой почти до нуля: 0,00000…01 метра (с кучей нулей). И будет казаться, будто автомобиль вообще не освещает дорогу перед собой.
Чтобы проще это представить, можно вообще убрать фары и мысленно прикрепить к переднему бамперу 100-метровую линейку, символизирующую «зону видимости». С точки зрения неподвижного наблюдателя эта линейка, мчащаяся почти со скоростью света, сожмётся до почти бесконечно малой длины и превратится в точку. А для водителя она останется прежней – ровно 100 метров.
Итак, для водителя – да, для стороннего наблюдателя – нет.
Вариант 3.
А вот теперь, внимание! До сих пор мы говорили о машине, мчащейся почти со скоростью света. Но давайте заглянем ещё глубже, туда, где сама идея «включить фары» теряет смысл.
Ведь возникает другой, более фундаментальный вопрос: а может ли что-то, движущееся со скоростью света, вообще иметь фары и светить ими?
Здесь в игру вступает одна из самых странных, но неотъемлемых идей теории относительности – релятивистское замедление времени.
Представьте: вы и ваш друг садитесь в два поезда, мчащиеся навстречу друг другу с огромной скоростью. Когда вы проноситесь мимо, взглядом замечая часы в его купе, вам покажется, что они идут медленнее, чем ваши. И он увидит то же самое!
Это не иллюзия и не поломка часов – это следствие того, что время течёт по-разному для наблюдателей, движущихся с разной скоростью.
Время не универсальный метроном для всей Вселенной. У каждого объекта оно своё, и оно зависит от того, насколько быстро он движется сквозь пространство-время.
Теперь представим гипотетическую ситуацию: ваш друг сидит в машине, разогнавшейся ровно до скорости света (v = c). Подставим это в формулу и получим... ноль.
Вы понимаете, что время равняется ноль секунд?!
Это значит, что для объекта, движущегося со скоростью света, время не течёт вообще. Совсем. Никакого «до», «во время» или «после» нет. Вся его «жизнь», от рождения фотона в звезде до его поглощения вашим глазом, происходит мгновенно, с его точки зрения.
Альберт Эйнштейн как-то сказал:
«Время существует, чтобы всё не происходило одновременно».
Для нас, медленных существ, время – это координата, которая расставляет события в понятную последовательность: сначала включаю фары, потом вижу дорогу, потом торможу. Но для объекта на скорости света всё происходит сразу. Нет «процесса», нет «опыта», нет «восприятия».
А значит, даже если представить себе «автомобиль из света» он не сможет освещать дорогу, потому что у него нет времени, чтобы что-либо сделать. Он не может включить фары, не может увидеть отражённый свет, не может даже замыслить эту идею. Для него Вселенная не путь, а точка.
Вот такой парадоксальный, почти философский вывод: скорость света – это не просто предел скорости – это граница между миром, где возможен опыт, и миром, где опыт невозможен в принципе.
Так будут ли светить фары на скорости света?
С точки зрения физики – это бессмысленный вопрос, как «что будет, если разделить на ноль?». Время для такой машины остановилось бы, расстояния сжались бы до нуля, а понятие «включить фары» потеряло бы смысл – ведь процессы внутри машины просто не могли бы происходить.
Так что в мире реальных законов природы такой сценарий невозможен, и спрашивать, будет ли свет освещать дорогу, всё равно что спрашивать: «Какого цвета улыбка у кота?» и получить ответ: «Ну, возможно синего!».
Вместо заключения
Мы только что совершили небольшое путешествие в страну релятивистской физики и убедились, что даже самые странные вопросы могут привести к глубоким идеям. Но вот что интересно: почему природа «запрещает» превышать скорость света? Это просто ограничение или есть в этом какой-то более глубокий смысл? Скорее всего – это, как написал тот подписчик: «Тема для следующего анализа))».
А какой версии вы больше склонны, к первой, что и водитель и пешеход увидит освещенную дорогу, или ко второй, что сторонний наблюдатель не увидит ничего, кроме темноты? А может вы поддерживаетесь варианта, что свет вообще невозможно включить на скорости света?
Вот ещё смешные и очень интересные вопросы по физике:
Благодарю, что дочитали до конца. Лайк – лучшее спасибо мне, как автору!