Даже если бы мы смогли сконструировать прототипы кораблей, выдуманных учеными из NASA и способных двигаться с релятивистской скоростью, а также нашли бы неприлично большой источник энергии, необходимой для того, чтобы запустить их в небеса, наше путешествие оказалось бы вовсе не таким приятным, как может показаться с борта «Тысячелетнего сокола». От возможности летать к соседним звездам нас отделяют отнюдь не технологии - это лишь вопрос нескольких веков. Проблема заключается в том, насколько опасен космос, если он превращается в среду обитания, и насколько хрупким на самом деле может оказаться человеческое тело.

Если бы мы стали перемещаться со скоростью света (300 000 км/с) в межзвездном пространстве, то погибли бы через пару секунд. Несмотря на то что плотность вещества в космосе очень низкая, на такой скорости даже несколько атомов водорода на кубический сантиметр врежутся в носовую часть корабля с ускорением, которое на Земле достижимо лишь на Большом адронном коллайдере. Из-за этого мы получим дозу излучения, равную десяти тысячам зивертов в секунду. Учитывая, что смертельная доза для человека составляет шесть зивертов, такой радиоактивный луч повредит корабль и уничтожит все живое на борту.

«Если бы мы стали перемещаться со скоростью света в космосе, то погибли бы через пару секунд»

Согласно исследованиям ученых из Университета Джонса Хопкинса, никакая броня не может уберечь нас от этой ионизирующей радиации. Переборка из алюминия толщиной десять сантиметров в таком случае поглотит меньше 1% энергии - а ведь размеры переборок невозможно увеличивать бесконечно, не рискуя возможностью взлететь. Однако помимо радиоактивного водорода нашему космолету на скорости света будет угрожать эрозия, возникающая из-за воздействия межзвездной пыли. В лучшем случае нам придется согласиться на 10% от скорости света, что позволит с большим трудом достичь лишь самой близкой звезды - Проксимы Центавра. С учетом расстояния в 4,22 светового года такой полет займет 40 лет - то есть одну неполную человеческую жизнь.

Космическая радиация пока остается для нас непреодолимым препятствием, однако, если в далеком будущем мы сможем его преодолеть, путешествие со скоростью света окажется самым невероятным переживанием, которое только доступно человеку. На такой скорости время замедлится, и старение станет намного более протяженным процессом (ведь даже космонавты на МКС за шесть месяцев успевают состариться на 0,007 секунды меньше, чем люди на Земле). Наше зрительное поле во время такого полета искривится, превратившись в туннель. Мы будем лететь по этому туннелю вперед, к сияющей белоснежной вспышке, не видя следов от звезд и оставляя за спиной самую кромешную, самую абсолютную темноту, какую только можно себе представить.

Тени, могут перемещаться быстрее света, но не могут переносить вещество или информацию

Возможен ли сверхсветовой полёт?

Разделы этой статьи имеют подзаголовки и можно ссылаться на каждый раздел отдельно.

Простые примеры сверхсветового перемещения

1. Эффект Черенкова

Когда мы говорим о движении со сверхсветовой скоростью, то имеем в виду скорость света в вакууме c (299 792 458 м/с). Поэтому эффект Черенкова не может рассматриваться как пример движения со сверхсветовой скоростью.

2. Третий наблюдатель

Если ракета A улетает от меня со скоростью 0.6c на запад, а ракета B улетает от меня со скоростью 0.6c на восток, то я вижу, что расстояние между A и B увеличивается со скоростью 1.2c . Наблюдая полёт ракет A и B со стороны, третий наблюдатель видит, что суммарная скорость удаления ракет больше, чем c .

Однако относительная скорость не равна сумме скоростей. Скорость ракеты A относительно ракеты B - это скорость увеличения расстояния до ракеты A , которую видит наблюдатель, летящий на ракете B . Относительную скорость нужно рассчитывать по релятивистской формуле сложения скоростей. (см. How do You Add Velocities in Special Relativity?) В данном примере относительная скорость примерно равна 0.88c . Так что в этом примере мы не получили сверхсветовой скорости.

3. Свет и тень

Подумайте, как быстро может перемещаться тень. Если лампа близко, то тень твоего пальца на дальней стене движется гораздо быстрее, чем движется палец. При движении пальца параллельно стене, скорость тени в D/d раз больше, чем скорость пальца. Здесь d - расстояние от лампы до пальца, а D - от лампы до стены. Скорость будет ещё больше, если стена расположена под углом. Если стена очень далеко, то движение тени будет отставать по времени от движения пальца, так как свету нужно время, чтобы достичь стены, но скорость перемещения тени по стене увеличится ещё больше. Скорость тени не ограничена скоростью света.

Другой объект, который может перемещаться быстрее света - световое пятно от лазера, направленного на Луну. Расстояние до Луны 385000 км. Вы можете сами рассчитать скорость перемещения светового пятна по поверхности Луны при небольших колебаниях лазерной указки в вашей руке. Вам также может понравиться пример с волной, набегающей на прямую линию пляжа под небольшим углом. С какой скоростью может перемещаться вдоль пляжа точка пересечения волны и берега?

Все эти вещи могут происходить в природе. Например, луч света от пульсара может пробежать вдоль пылевого облака. Мощный взрыв может создать сферические волны света или радиации. Когда эти волны пересекаются с какой-либо поверхностью, на этой поверхности возникают световые круги, которые расширяются быстрее света. Такое явление наблюдается, например, когда электромагнитный импульс от вспышки молнии проходит через верхние слои атмосферы.

4. Твёрдое тело

Если у вас есть длинный жёсткий стержень, и вы ударите по одному концу стержня, то разве другой конец не придёт в движение немедленно? Разве это не способ сверхсветовой передачи информации?

Это было бы верно, если бы существовали идеально жёсткие тела. Практически, удар передаётся вдоль стержня со скоростью звука, которая зависит от упругости и плотности материала стержня. Кроме того теория относительности ограничивает возможные скорости звука в материале величиной c .

Этот же принцип действует, если вы держите вертикально струну или стержень, отпускаете его, и он начинает падать под действием силы тяжести. Верхний конец, который вы отпустили, начинает падать немедленно, но нижний конец начнёт движение только через некоторое время, так как исчезновение удерживающей силы передаётся вниз по стержню со скоростью звука в материале.

Формулировка релятивистской теории упругости довольно сложна, но общую идею можно иллюстрировать с использованием ньютоновской механики. Уравнение продольного движения идеально-упругого тела можно вывести из закона Гука. Обозначим линейную плотность стержня ρ , модуль упругости Юнга Y . Продольное смещение X удовлетворяет волновому уравнению

ρ·d 2 X/dt 2 - Y·d 2 X/dx 2 = 0

Решение в виде плоских волн перемещается со скоростью звука s , которая определяется из формулы s 2 = Y/ρ . Волновое уравнение не позволяет возмущениям среды перемещаться быстрее, чем со скоростью s . Кроме того, теория относительности даёт предел величине упругости: Y < ρc 2 . Практически, ни один известный материал не приближается к этому пределу. Учтите также, что если даже скорость звука близка к c , то само вещество не обязательно движется с релятивистской скоростью.

Хотя в природе нет твёрдых тел, существует движение твёрдых тел , которое можно использовать для преодоления скорости света. Эта тема относится к уже описанному разделу теней и световых пятен. (См. The Superluminal Scissors, The Rigid Rotating Disk in Relativity).

5. Фазовая скорость

Волновое уравнение
d 2 u/dt 2 - c 2 ·d 2 u/dx 2 + w 2 ·u = 0

имеет решение в виде
u = A·cos(ax - bt), c 2 ·a 2 - b 2 + w 2 = 0

Это синусоидальные волны, распространяющиеся со скоростью v
v = b/a = sqrt(c 2 + w 2 /a 2)

Но это больше, чем c. Может это уравнение для тахионов? (см. далее раздел ). Нет, это обычное релятивистское уравнение для частицы с массой.

Чтобы устранить парадокс нужно различать "фазовую скорость" v ph , и "групповую скорость" v gr , причём
v ph ·v gr = c 2

Решение в виде волны может иметь дисперсию по частоте. При этом волновой пакет движется с групповой скоростью, которая меньше, чем c . При помощи волнового пакета можно передавать информацию только с групповой скоростью. Волны в волновом пакете движутся с фазовой скоростью. Фазовая скорость - ещё один пример сверхсветового движения, которое нельзя использовать для передачи сообщений.

6. Сверхсветовые галактики

7. Релятивистская ракета

Пусть наблюдатель на Земле видит космический корабль, удаляющийся со скоростью 0.8c В соответствии с теорией относительности, он увидит, что часы на космическом корабле идут медленнее в 5/3 раза. Если разделить расстояние до корабля на время полёта по бортовым часам, то получим скорость 4/3c . Наблюдатель делает вывод, что, используя свои бортовые часы, пилот корабля тоже определит, что летит со сверхсветовой скоростью. С точки зрения пилота его часы идут нормально, а межзвёздное пространство сжалось в 5/3 раза. Поэтому он пролетает известные расстояния между звёздами быстрее, со скоростью 4/3c .

Но это всё же не сверхсветовой полёт. Нельзя рассчитывать скорость, используя расстояние и время, определённые в разных системах отсчёта.

8. Скорость гравитации

Некоторые настаивают, что скорость гравитации гораздо больше c или даже бесконечна. Посмотрите Does Gravity Travel at the Speed of Light? и What is Gravitational Radiation? Гравитационные возмущения и гравитационные волны распространяются со скоростью c .

9. Парадокс ЭПР

10. Виртуальные фотоны

11. Квантовый туннельный эффект

В квантовой механике туннельный эффект позволяет частице преодолеть барьер, даже если её энергии для этого не хватает. Можно рассчитать время туннелирования через такой барьер. И оно может оказаться меньше, чем требуется свету для преодоления такого же расстояния со скоростью c . Можно ли это использовать для передачи сообщений быстрее света?

Квантовая электродинамика говорит "Нет!" Тем не менее, выполнен эксперимент, продемонстрировавший сверхсветовую передачу информации при помощи туннельного эффекта. Через барьер шириной 11.4 см со скоростью 4.7 c передана Сороковая симфония Моцарта. Объяснение этого эксперимента очень противоречиво. Большинство физиков считают, что при помощи туннельного эффекта нельзя передать информацию быстрее света. Если бы это было возможно, то почему не передать сигнал в прошлое, поместив оборудование в быстро перемещающуюся систему отсчета.

17. Квантовая теория поля

За исключением гравитации, все наблюдаемые физические явления соответствуют "Стандартной модели". Стандартная модель - это релятивистская квантовая теория поля, которая объясняет электромагнитные и ядерные взаимодействия, а также все известные частицы. В этой теории любая пара операторов, соответствующих физическим наблюдаемым, разделённым пространственноподобным интервалом событий, "коммутирует" (то есть, можно поменять порядок этих операторов). В принципе, это подразумевает, что в стандартной модели воздействие не может распространяться быстрее света, и это можно считать квантово-полевым эквивалентом довода о бесконечной энергии.

Однако в квантовой теории поля Стандартной модели нет безупречно строгих доказательств. Никто пока даже не доказал, что эта теория внутренне непротиворечива. Скорее всего, это не так. Во всяком случае, нет гарантии, что не существует каких-то пока не открытых частиц или сил, которые не подчиняются запрету на сверхсветовое перемещение. Нет также и обобщения этой теории, включающего гравитацию и общую теорию относительности. Многие физики, работающие в области квантовой гравитации, сомневаются, что простые представления о причинности и локальности будут обобщены. Нет гарантии, что в будущей более полной теории скорость света сохранит смысл предельной скорости.

18. Парадокс дедушки

В специальной теории относительности частица, летящая быстрее света в одной системе отсчета, движется обратно во времени в другой системе отсчета. Сверхсветовое перемещение или передача информации давали бы возможность путешествия или отправки сообщения в прошлое. Если бы такое путешествие во времени было возможно, то вы могли бы вернуться в прошлое и изменить ход истории, убив своего дедушку.

Это очень серьёзный аргумент против возможности сверхсветового перемещения. Правда остаётся почти неправдоподобная вероятность, что возможны какие-то ограниченные сверхсветовые перемещения, не допускающие возвращения в прошлое. Или, может быть, путешествия во времени возможны, но причинность нарушается каким-то непротиворечивым образом. Всё это очень неправдоподобно, но если мы обсуждаем сверхсветовые перемещения, то лучше быть готовым к новым идеям.

Верно и обратное. Если бы мы могли переместиться в прошлое, то смогли бы преодолеть скорость света. Можно вернуться в прошлое, полететь куда-то с небольшой скоростью, и прибыть туда раньше, чем прибудет свет, отправленный обычным образом. Смотрите подробности по этой теме в Time Travel.

Открытые вопросы сверхсветовых путешествий

В этом последнем разделе я опишу несколько серьёзных идей о возможном перемещении быстрее света. Эти темы не часто включают в FAQ, потому что они больше похожи не на ответы, а на множество новых вопросов. Они включены сюда, чтобы показать, что в этом направлении проводятся серьёзные исследования. Даётся только короткое введение в тему. Подробности вы можете найти в интернете. Как и ко всему в интернете, относитесь к ним критически.

19. Тахионы

Тахионы - это гипотетические частицы, локально перемещающиеся быстрее света. Для этого они должны иметь мнимую величину массы. При этом энергия и импульс тахиона - реальные величины. Нет оснований считать, что сверхсветовые частицы невозможно обнаружить. Тени и световые пятна могут перемещаться быстрее света и их можно обнаружить.

Пока тахионы не найдены, и физики сомневаются в их существовании. Были заявления, что в экспериментах по измерению массы нейтрино, рождающихся при бета-распаде трития, нейтрино были тахионами. Это сомнительно, но пока окончательно не опровергнуто.

В теории тахионов есть проблемы. Кроме возможного нарушения причинности, тахионы также делают вакуум нестабильным. Может быть удастся обойти эти трудности, но и тогда мы не сможем использовать тахионы для сверхсветовой передачи сообщений.

Большинство физиков считает, что появление тахионов в теории - признак каких-то проблем этой теории. Идея тахионов так популярна у публики просто потому, что они часто упоминаются в фантастической литературе. Смотрите Tachyons.

20. Кротовые норы

Самый известный способ глобального сверхсветового путешествия - использование "кротовых нор". Кротовая нора - это прорезь в пространстве-времени из одной точки вселенной в другую, которая позволяет пройти от одного конца норы до другого быстрее, чем по обычному пути. Кротовые норы описываются общей теорией относительности. Для их создания требуется изменить топологию пространства-времени. Может быть, это станет возможным в рамках квантовой теории гравитации.

Чтобы удерживать кротовую нору открытой, нужны области пространства с отрицательной энергий. C.W.Misner и K.S.Thorne предложили для создания отрицательной энергии использовать эффект Казимира в большом масштабе. Visser предложил использовать для этого космические струны. Это очень умозрительные идеи, и может быть, это невозможно. Может быть, требуемая форма экзотической материи с отрицательной энергией не существует.

1) Освещает ли свет фар другие объекты и отражается обратно в глаза?

Нет. Как известно, нельзя превысить скорость света. Это означает, что в одном из направлений свет вообще не может светить, потому что не способен превысить скорость автомобиля, так что никогда не выйдет из фар. Однако, мы живём в многомерном мире и не весь свет светит в одном направлении.

Представим двухмерный автомобиль без массы (то есть двигающийся со скоростью света), который излучил два фотона, один вверх, а другой вниз. Два луча отделяются от автомобиля и остаются позади него. Они двигаются с такой же скоростью света, но не могут двигаться вперёд настолько же быстро, поскольку один из векторов скорости направлен вверх/вниз, поэтому мы обгоняем их. Эти фотоны затем встречают на своём пути какое-то препятствие, например, дорожный указатель или дерево, и отражаются обратно. Проблема в том, что они уже не могут догнать вас. Другие люди, идущие по тротуару, способны видеть отражённый свет, но вы уже уехали и никогда его не увидите.

Вот пожалуйста, всё можно объяснить на одном только факте, что весь свет двигается с одинаковой скоростью, неважно куда. Это едва ли имеет отношение к теории относительности.

Однако, существует и более хардкорная версия.

2) Могут ли вещи, двигающиеся со скоростью света, иметь фары? Могут ли они вообще иметь зрение?

Вот где сумасшедшая истина теории относительности по-настоящему вступает в игру, так что не нужно стыдиться, если чего-то не поймёте, но ответ опять выходит отрицательным.

Возможно, вам знакома концепция релятивистского замедления времени. Предположим, я с другом садимся в разные поезда и едем навстречу. Проезжая мимо, если мы посмотрим через окно на настенные часы в купе друг у друга, то оба заметим, что они идут медленнее обычного. Это не потому что часы тормозят, а потому что вступает в дело свет между нами: чем быстрее мы двигаемся, тем медленнее стареем относительно менее подвижных объектов. Это потому что время не является абсолютным для всех объектов во Вселенной, оно своё у каждого объекта и зависит от его скорости. Наше время зависит только от нашей скорости во Вселенной. Вы можете представить это как движение в разных направлениях на шкале пространства-времени. Здесь есть определённая проблема, потому что наш мозг не приспособлен для понимания геометрии пространства-времени, а склонен представлять время как некий абсолют. Тем не менее, почитав немного литературы на эту тему, вы нормально сможете воспринимать как естественный факт: те, кто двигаются быстро относительно вас, стареют медленнее.

Предположим, что ваш друг сидит в гипотетической машине и мчится со скоростью света. Итак, подставим его скорость в нашу формулу и посмотрим, каков будет ответ.

Ой-ёй! Похоже, у него вообще не прошло никакого времени! Наверное, что-то неправильно с нашими вычислениями?! Выясняется, что нет. Времени. Не. Существует. Для. Объектов. На. Скорости. Света.

Его просто нет.

Это значит, что вещи на скорости света не могут воспринимать «происходящие» события таким же образом, как воспринимаем мы. События не могут происходить для них. Они могут совершать действия, но не могут получать опыт. Сам Эйнштейн однажды сказал: «Время существует, чтобы всё не происходило одновременно» («Time exists so that everything doesn"t happen at once»). Это координата, спроектированная для построения событий в осмысленную последовательность, так что мы можем понять, что происходит. Но для объекта, который двигается на скорости света, этот принцип не работает, потому что всё происходит одновременно. Путешественник на скорости света никогда не увидит, не подумает и не почувствует чего-то, что мы считаем осмысленным.

Вот такой неожиданный вывод.

Но оказалось, что можно; теперь считают, что мы никогда не сомжем путешествовать быстрее света... ". Но на самом деле это неправда, что кто-то когда-то считал, что двигаться быстрее звука невозможно. Задолго до того, как появились сверхзвуковые самолеты уже было известно, что быстрее звука летят пули. Реально же речь шла о том, что невозможен управляемый сверхзвуковой полет, и ошибка была в этом. СС движение - это совсем другое дело. С самого начала было ясно, что сверхзвуковому полету препятствуют технические проблемы, которые надо было просто решить. Но совершенно неясно, можно ли когда-нибудь будет решить проблемы, препятствующие СС движению. Теор ия относительности может много чего сказать на этот счет. Если будет возможно СС путешествие или даже передача сигнала, то будет нарушена причинность, а из этого последуют совершенно невероятные выводы.

Сначала мы обсудим простые случаи СС движения. Мы упоминаем их не потому, что они интересны, а потому, что они снова и снова всплывают в обсуждениях СС движения и потому с ними приходится иметь дело. Потом мы обсудим то, что мы считаем сложными случаями СС движения или общения и рассмотрим некоторые доводы против них. Наконец, мы рассмотрим наиболее серьезные предположения о настоящем СС движении.

Простое СС движение

1. Явление черенковского излучения

Один способ двигаться быстрее света состоит в том, чтобы сперва замедлить сам свет! :-) В вакууме свет летит со скоростью c , и эта величина является мировой постоянной (см. вопрос Постоянна ли скорость света), а в более плотной среде вроде воды или стекла - замедляется до скорости c/n , где n - это показатель преломления среды (1,0003 у воздуха; 1,4 у воды). Поэтому частицы могут двигаться в воде или воздухе быстрее, чем там движется свет. В результате возникает излучение Вавилова-Черенкова (см. вопрос ).

Но когда мы говорим о СС движении, мы, конечно, имеем в виду превышение над скоростью света в вакууме c (299 792 458 м/с). Поэтому явление Черенкова не может считаться примером СС движения.

2. С третьей стороны

Если ракета А летит от меня со скоростью 0,6c на запад, а другая Б - от меня со скоростью 0,6c на восток, то тогда общее расстояние между А и Б в моей системе отсчета увеличивается со скоростью 1,2c . Таким образом, видимая относительная скорость, большая c, может наблюдаться "с третьей стороны".

Однако такая скорость - это не то, что мы обычно понимаем под относительной скоростью. Настоящая скорость ракеты А относительно ракеты Б - это та скорость роста расстояния между ракетами, которую наблюдает наблюдатель в ракете Б . Две скорости надо сложить по релятиви стской формуле сложения скоростей (см. вопрос Как надо складывать скорости в частной относительности). В данном случае относительная скорость получается примерно 0,88c , то есть, не является сверхсветовой.

3. Тени и зайчики

Подумайте, с какой скоростью может двигаться тень? Если Вы создадите на далекой стене тень от своего пальца от близкой лампы, а потом пальцем пошевелите, то тень задвигается гораздо быстрее пальца. Если палец будет смещаться параллельно стене, то скорость тени будет в D/d раз больше скорости пальца, где d - расстояние от пальца до лампы, а D - расстояние от лампы до стены. А может получиться и еще большая скорость, если стена будет расположена под углом. Если стена расположена очень далеко, то движение тени будет отставать от движения пальца, так как свет должен будет еще долететь от пальца до стены, но все равно скорость движения тени будет во столько же раз больше. То есть, скорость движения тени не ограничена скоростью света.

Кроме теней быстрее света могут двигаться и зайчики, например, пятнышко от лазерного луча, направленного на Луну . Зная, что расстояние до Луны 385 000 км., попробуйте рассчитать скорость движения зайчика если слегка поводить лазером. Еще можете подумать о морской волне, косо ударяющей о берег. С какой скоростью может двигаться точка, в которй волна разбивается?

Подобные вещи могут происходить и в природе. Например, световой луч от пульсара может прочесывать облако пыли. Яркая вспышка порождает расширяющееся оболочку из света или другого излучения. Когда она пересекает поверхность, то создается световое кольцо, увеличивающееся быстрее скорости света. В природе такое встречается, когда электромагнитный импульс от молнии достигает верхних слоев атмосферы .

Все это были примеры вещей, движущихся быстрее света, но которые не являлись физическими телами. При помощи тени или зайчика нельзя передать СС сообщение, так что и общение быстрее света не получается. И опять-таки, это, видимо, не то, что мы хотим понимать под СС движением, хотя становится понятно, насколько трудно определить, что именно нам нужно (см. вопрос Сверхсветовые ножницы).

4. Твердые тела

Если взять длинную твердую палку и толкнуть один ее конец, задвигается ли другой конец сразу же, или нет? Нельзя ли таким образом осуществить СС передачу сообщения?

Да, это было бы можно сделать, если бы такие твердые тела существовали. В реальности же влияние удара по концу палки распространяется по ней со скоростью звука в данном веществе, а скорость звука зависит от упругости и плотности материала. Относительность накладывает абсолютный предел возможной твердости любых тел так, что скорость звука в них не может превышать c .

То же самое происходит и в случае, если вы нахидитесь в поле притяжения, и сначала держите вертикально струну или шест за верхний конец, а потом отпускаете его. Точка, которую вы отпустили, придет в движение сразу, а нижний конец не сможет начать падать до тех пор, пока до него со скоростью звука не дойдет влияние отпускания.

Сложно сформулировать общую теор ию упругих материалов в рамках относительности, но основную идею можно показать и на примере механики Ньютона . Уравнение продольного движения идеально упругого тела можно получить из закона Гука . В переменных массы на единицу длины p и модуля упругости Юнга Y , продольное смещение X удовлетворяет волновому уравнению.

Решение в виде плоских волн двигается со скоростью звука s , причем s 2 = Y/p . Данное уравнение не предполагает возможность причинностного влияния, распространяющегося быстрее s . Таким образом, относительность накладывает теор етический предел на величину упругости: Y < pc 2 . Практически же не встречаются материалы, даже близко подходящие к нему. Кстати, даже если скорость звука в материале близка к c , вещество само по себе вовсе не обязано двигаться с релятиви стской скоростью. Но откуда мы знаем, что в принципе не может существовать вещества, преодолевающего этот предел? Ответ заключается в том, что все вещества состоят из частиц, взаимодействие между которыми подчиняется стандартной модели элементарных частиц, а в этой модели никакое взаимодействие распространяться быстрее света не может (смотри ниже насчет квантовой теор ии поля).

5. Фазовая скорость

Посмотрите на это волновое уравнение:

У него есть решения вида:

Эти решения есть синусоидальные волны, движущиеся со скоростью,

Но ведь это быстрее света, значит у нас в руках уравнение тахионного поля? Нет, это всего лишь обычное релятиви стское уравнение массивной скалярной частицы!

Парадокс разрешится, если понять различие между этой скоростью, называемой также фазовой скоростью v ph от другой скорости, называемой групповой v gr которая датеся формулой,

Если у волнового решения есть разброс частот, то оно приобретет вид волнового пакета , который движется с групповой сокростью, не превышающей c . Только гребни волны движутся с фазовой скоростью. Передавать информацию при помощи такой волны можно лишь с групповой скоростью, так что фазовая скорость дает нам очередной пример сверхсветовой скорости, которая не может переносить информацию.

7. Релятиви стская ракета

Диспетчер на Земле следит за космическим кораблем, улетающим со скоростью 0,8c . Согласно теор ии относительности, даже после учета допплеровского сдвига сигналов от корабля, он увидит, что время на корабле замедлено и часы там идут медленнее с коэффициентом 0,6. Если он рассчитает частное от деления расстояния, пройденного кораблем на затраченное время, измеренное по часам корабля, то он получит 4/3c . Это означает, что пассажиры корабля преодолевают межзвездное пространство с эффективной скоростью, большей, чем скорость света, которую они бы получили, если бы ее измерили. С точки зрения пассажиров корабля, межзвездные расстояния подвержены лоренцеву сокращению с тем же коэффициентом 0,6 и значит, они тоже должны признать, что они покрывают известные межзвездные расстояния со скоростью 4/3 c .

Это реальное явление и оно в принципе может быть использовано космическими путешественниками для преодоления огромных расстояний в течение жизни. Если они будут ускоряться с постоянным ускорением, равным ускорению свободного падения на Земле , то у них на корабле будет не только идеальная искусственная сила тяжести , но они еще успеют пересечь Галактику всего за 12 своих лет! (см. вопрос Каковы уравнения релятиви стской ракеты ?)

Однако, и это - не настоящее СС движение. Эффективная скорость вычислена из расстояния в одной системе отсчета, а времени - в другой. Это не настоящая скорость. Только пассажиры корабля получают преимущества от этой скорости. Диспечер же, например, не успеет за свою жизнь увидеть, как они пролетят гигантское расстояние.

Сложные случаи СС движения

9. Парадокс Эйнштейна, Подольского, Розена (ЭПР)

10. Виртуальные фотоны

11. Квантовое туннелирование

Реальные кандидаты в СС путешественники

В данном разделе приведены умозрительные, но серьезные предположения о возможности сверхсветового путешествия. Это будут не те вещи, которые обычно помещают в ЧаВо, так как они вызывают больше вопросов, чем дают ответов. Они приведены здесь в основном для того, чтобы показать, что в данном направлении проводятся серьезные исследования. В каждом направлении дается лишь краткое введение. Более подробные сведения можно почерпнуть на просторах интернета.

19. Тахионы

Тахионы - это гипотетические частицы, которые локально движутся быстрее света. Чтобы это делать, у них должна быть масса, измеряемая мнимым числом, но их энерги я и импульс должны быть положительными. Иногда думают, что такие СС частицы должно быть невозможно засечь, но на самом деле, причин так считать нет. Тени и зайчики подсказывают нам, что из СС движения еще не следует незаметность.

Тахионы никогда не наблюдались и большинство физиков сомневаются в их существовании. Как-то заявлялось, что проведены опыты по измерению массы нейтрино, вылетающих при распаде Трития, и что эти нейтрино были тахионными. Это весьма сомнительно, но все-таки не исключено. В тахионных теор иях есть проблемы, так как с точки зрения возможных нарушений причинности, они дестабилизируют вакуум. Может и можно эти проблемы обойти, но тогда окажется невозможно применять тахионы в нужном нам СС сообщении.

Правда состоит в том, что большинство физиков считают тахионы признаком ошибки в полевых теор их, а интерес к ним со стороны широких масс подогревается, в основном, со стороны научной фантастики (см. статью Тахионы).

20. Чревоточины

Наиболее известной предположительной возможностью СС путешествия является использование чревоточин. Чревоточины - это туннели в пространстве-времени, соединяющие одно место во Вселенной, с другим. По ним можно переместиться между этими точками быстрее, чем сделал бы свет своим обычным путем. Чревоточины - это явление классической общей относительности, но чтобы их создать, нужно изменить топологию пространства-времени. Возможность этого может быть заключено в теор ии квантовой гравитации.

Чтобы поддерживать чревоточины в открытом состоянии, нужны огромные количества отрицательной энерги и. Миснер и Торн предложили, что для генерации отрицательной энерги и можно использовать крупномасштабный эффект Казимира, а Виссер предложил решение с использованием космических струн. Все эти идеи весьма умозрительны и могут быть попросту нереальными. Необычное вещество с отрицательной энерги ей может не существовать в нужной для явления форме.

Торн обнаружил, что если чревоточины можно создать, то с их помощью можно организовать замкнутые временные петли, которые сделают возможными путешествия во времени. Также было сделано предположение, что многовариантная интерпретация квантовой механики свидетельствует о том, что никаких парадоксов путешествие во времени не вызовет, и что события просто развернутся иначе, когда вы попадете в прошлое. Хокинг говорит, что чревоточины могут просто нестабильными и потому неприменимыми на практике. Но сама тема остается плодотворной областью для мысленных экспериментов, позволяющих разобраться, что возможно и что не возможно исходя и известных и предполагаемых законов физики.
refs:
W. G. Morris and K. S. Thorne, American Journal of Physics 56 , 395-412 (1988)
W. G. Morris, K. S. Thorne, and U. Yurtsever, Phys. Rev. Letters 61 , 1446-9 (1988)
Matt Visser, Physical Review D39 , 3182-4 (1989)
see also "Black Holes and Time Warps" Kip Thorn, Norton & co. (1994)
For an explanation of the multiverse see, "The Fabric of Reality" David Deutsch, Penguin Press.

21. Двигатели-деформаторы

[Понятие не имею, как это перевести! В оригинале warp drive. - прим. переводчика;
перевёл по аналогии со статьей на Мембране ]

Деформатор мог бы быть механизмом для закручивания пространства-времени таким образом, чтобы объект мог перемещаться быстрее света. Мигель Алькабьер сделался знаменитым благодаря тому, что разработал геометрию, которая описывает такой деформатор. Искажение пространства-времени делает возможным для объекта перемещаться быстрее света, оставаясь на время-подобной кривой. Препятствия те же, что и при создании чревоточин. Чтобы создать деформатор, нужно вещество с отрицательной плотностью энерги и. Даже если такое вещество возможно, все равно непонятно, как его можно получить и как с его помощью заставить работать деформатор.
ref M. Alcubierre, Classical and Quantum Gravity, 11 , L73-L77, (1994)

Заключение

Во-первых, оказалось нелегко вообще определить, что значит СС путешествие и СС сообщение. Многие вещи, навроде теней, совершают СС дивжение, но так, что его нельзя использовать, например, для передачи информации. Но есть и серьезные возможности реального СС перемещения, которые предложены в научной литературе, но их реализация пока невозможна технически. Принцип неопределенности Гейзенберга делает невозможным использование кажущегося СС движения в квантовой механике. В общей относительности есть потенциал ьные средства СС движения, но их может быть невозможно использовать. Думается, что крайне маловероятно, что в обозримом будущем, или вообще, техника окажется способна создавать космические корабли с СС двигателями, но любопытно, что теор етическая физика, как мы ее сейчас знаем, не закрывает дверь для СС движения насовсем. СС движение в стиле научно-фантастических романов, видимо, совершенно невозможно. Для физиков интересен вопрос: "а почему, собственно, это невозможно, и чему из этого можно научиться?"

Для достижения скорости, близкой к скорости света, многоступенчатой ракете нужно было бы отбрасывать часть своей массы по мере увеличения скорости, как делает изображённая здесь ракета Super Haas

Допустим, вы хотите отправиться в межзвёздное путешествие и добраться до точки назначения как можно быстрее. Возможно, у вас не получится сделать это до завтра, но если бы у вас были все необходимые инструменты и технологии, а также немного помощи от относительности Эйнштейна – смогли бы вы добраться туда через год? А что насчёт приближения к скорости света? Именно об этом задаёт наш читатель свой вопрос на этой неделе:

Я недавно читала книгу, автор которой пытался объяснить парадокс близнецов, представляя космический корабль, 20 лет летящий с ускорением в 1 g, а затем возвращающийся назад. Возможно ли в течение такого времени поддерживать такое ускорение? Если, допустим, начать путешествие в первый день нового года и лететь с ускорением 9,8 метра в секунду в секунду, то, если верить расчётам, до конца года можно достичь скорости света. Как после этого дальше ускоряться?

Для путешествия к звёздам совершенно необходимо поддерживать такое ускорение.



Этот запуск космического корабля Колумбия в 1992 году показывает, что ракета ускоряется не мгновенно – ускорение занимает долгое время

Самые передовые ракеты и системы реактивного движения, созданные человечеством, недостаточно мощные для такой задачи, потому что они добиваются не такого уж большого ускорения. Впечатляющие они потому, что ускоряют огромную массу довольно продолжительное время. Но ускорение таких ракет, как Сатурн-5, Атлас, Фалькон и Союз не превышает ускорение какого-нибудь спортивного автомобиля: от 1 до 2 g, где g – 9,8 метра на секунду в квадрате. В чём разница между ракетой и спортивным автомобилем? Своего предела автомобиль достигнет секунд через 9, на отметке в 320 км/ч. Ракета же может ускоряться так гораздо дольше – не секунды или минуты, но четверть часа.

Самой первой с космического центра на мысе Кеннеди НАСА запустило ракету Аполло-4. Хотя она ускорялась так же, как спортивный автомобиль, её ключ к успеху был в длительной поддержке этого ускорения

Именно так мы можем преодолеть гравитационное притяжение Земли и выйти на орбиту, достичь других миров в нашей Солнечной системе или даже вырваться из солнечного притяжения. Но в какой-то момент и мы дойдём до предела – ускоряться можно ограниченное время из-за ограничений на количество переносимого топлива. Используемое нами ракетное топливо, к несчастью, чрезвычайно неэффективно. Вы видели знаменитое уравнение Эйнштейна, E = mc 2 , описывающее массу, как форму энергии, и то, что энергию можно хранить в виде материи. Наше замечательное ракетное топливо ужасно неэффективно.

Первый пробный запуск двигателя SpaceX Raptor в начале 2016

Используя химические реакции, топливо преобразует не более 0,001% своей массы в энергию, жёстко ограничивая максимальную скорость, доступную космическому кораблю. И именно поэтому для запуска 5 тонн полезного груза на геостационарную орбиту требуется ракета весом в 500 тонн. Ядерные ракеты были бы более эффективными, и превращали бы порядка 0,5% своей массы в энергию, но идеальным результатом было бы топливо из материи и антиматерии, достигающее 100% эффективности в превращении E = mc 2 . Если бы у вас была ракета определённой массы, неважно, какой, и всего 5% этой массы содержалось бы в антиматерии (а ещё 5% - в одноразовой материи), можно было бы контролировать аннигиляцию во времени. В результате вы получили бы постоянное и устойчивое ускорение в 1 g на гораздо большем промежутке времени, чем даст вам любое другое топливо.

Представление художника о реактивной системе движения с использованием антиматерии. Аннигиляция материи/антиматерии даёт высочайшую плотность физической энергии из всех известных веществ

Если вам требуется постоянное ускорение, то аннигиляция материи/антиматерии, составляющих несколько процентов от общей массы, позволит вам ускоряться с такой скоростью несколько месяцев подряд. Таким способом можно набрать до 40% скорости света, если вы потратите весь годовой бюджет США на создание антиматерии, и будете ускорять 100 кг полезного груза. Если вам нужно ускоряться ещё дольше, вам нужно увеличивать количество взятого с собой топлива. И чем больше вы будете ускоряться, чем ближе вы будете к скорости света, тем сильнее вам будут заметны релятивистские эффекты.

Как ваша скорость увеличивается со временем, если держать ускорение 1 g несколько дней, месяцев, лет или десятилетие

После десяти дней полёта с ускорением в 1 g вы уже минуете Нептун, последнюю планету Солнечной системы. Через несколько месяцев вы начнёте замечать замедление времени и сокращение расстояний. Через год вы наберёте уже 80% от скорости света; через 2 года вы подберётесь к 98% скорости света; через 5 лет полёта с ускорением в 1 g вы будете двигаться со скоростью в 99,99% от скорости света. И чем дольше вы будете ускоряться, тем ближе к скорости света вы подберётесь. Но никогда её не достигнете. Более того, с течением времени на это потребуется всё больше энергии.

На логарифмической шкале видно, что чем дольше вы будете ускоряться, тем ближе к скорости света вы подберётесь, но никогда её не достигнете. Даже через 10 лет вы подберётесь к 99,9999999% скорости света, но не достигнете её

На первые десять минут ускорения потребуется определённое количество энергии, и к окончанию этого срока вы будете двигаться со скоростью 6 км/с. Ещё через 10 минут вы удвоите скорость до 12 км/с, но на это потребуется в три раза больше энергии. Ещё через десять минут вы будете двигаться со скоростью 18 км/с, но на это потребуется в 5 раз больше энергии, чем в первые десять минут. Эта схема продолжит работать и дальше. Через год вы уже будете использовать в 100 000 раз больше энергии, чем в начале! Кроме того, скорость будет увеличиваться всё меньше и меньше.

Длины сокращаются, а время растягивается. На графике показано, как космический корабль, двигавшийся с ускорением в 1 g сто лет, может совершить путешествие почти до любой точки видимой Вселенной, и вернуться оттуда, на протяжении одной человеческой жизни. Но к моменту его возвращения на Земле пройдёт дополнительное время

Если вы хотите ускорять корабль весом в 100 кг в течение года при 1 g, вам потребуется 1000 кг материи и 1000 кг антиматерии. Через год вы будете двигаться со скоростью 80% от скорости света, но никогда её не превзойдёте. Даже если бы у вас было бесконечное количество энергии. Постоянное ускорение требует постоянного увеличения тяги, и чем быстрее вы двигаетесь, тем больше вашей энергии тратится на релятивистские эффекты. И пока мы не придумаем, как управлять деформацией пространства, скорость света останется окончательным ограничением Вселенной. Всё, что обладает массой, не сможет её достичь, а уж тем более, превзойти. Но если вы начнёте сегодня, то через год вы окажетесь там, куда ещё не добирался ни один макроскопический объект!