Перспектива сверхсветового движения

 

 

 

 

 

ДОКЛАД

НА  ТЕМУ 

«Перспектива  сверхсветового движения»

 

 

 

 

 

 

Подготовил: Михайлов Владимир,  гр. 11-ТФ-1

                                                         Проверила: Табиева Е.Е., преподаватель ФОМ

 

 

 

 

 

Согласно Эйнштейну, скорость света представляет собой абсолютный предел скорости, быстрее которого не может двигаться ничто во Вселенной. Даже самые мощные наши ускорители, способные придавать частицам невероятные  энергии — частицы с такой  энергией можно обнаружить только в  центре взрывающейся звезды или, скажем, в момент Большого взрыва, — не могут  разогнать элементарные частицы  до скорости, превышающей скорость света. Очевидно, скорость света —  абсолютный гаишник Вселенной. Но если это так, все наши надежды добраться  когда-нибудь до отдаленных галактик ничего не стоят.

 

А может быть, все не так  грустно...

 

Согласно Ньютону, обогнать свет можно без особого труда  — ведь ни сам свет, ни его скорость не представляют собой ничего особенного. Это означало, что если вы будете нестись рядом с лучом света  со скоростью, равной его скорости, то луч в вашей системе координат  остановится. Но Эйнштейн еще в юности понял, что никто никогда не видел  неподвижной световой волны —  и вообще непонятно, как ее можно  остановить. А значит, решил он, механика Ньютона здесь не работает.

 

В конце концов Эйнштейн нашел ответ на этот вопрос; он был тогда студентом в Цюрихе и изучал теорию Максвелла. Он обнаружил факт, которого не знал даже Максвелл: что скорость света постоянна и не зависит от скорости вашего движения. Не важно, будете ли вы нестись прочь от светового луча или догонять его, сам он будет двигаться с прежней скоростью, но это, вообще говоря, противоречит здравому смыслу. Эйнштейн нашел ответ на свой детский вопрос: невозможно лететь рядом со световым лучом, потому что он всегда удаляется от вас с одинаковой скоростью, как бы быстро ни двигались вы сами.

 

Но ньютонова механика — сложная система с прочными и жесткими связями: если потянуть за свободный кончик, т.е. хоть немного изменить исходные данные, вся система рассыплется. В теории Ньютона время в любой точке Вселенной течет одинаково. Одна секунда на Земле в точности равна одной секунде на Марсе или Венере. Точно так же метр на Земле имеет в точности ту же длину, что метр на Плутоне. Но если предположить, что скорость света постоянна и не зависит от скорости движения наблюдателя, то надо полностью менять представления о пространстве и времени. Чтобы скорость света оставалась постоянной, и пространство, и время необходимо было серьезно исказить.

 

Согласно Эйнштейну, если вы находитесь в быстро летящем космическом  корабле, ход времени в нем  замедляется по отношению к земному  времени. Время в корабле и  на Земле идет с разной скоростью, в зависимости от того, насколько  быстро движется корабль. Мало того, пространство внутри корабля сжимается, и в  зависимости от скорости его движения метр может изменять свою длину, а  масса корабля увеличивается. Если бы мы заглянули в такой космический  корабль, скажем, при помощи телескопа, мы бы увидели, что часы идут медленно, и люди — сплющенные по ходу движения корабля — двигаются тоже замедленно.

 

Вообще говоря, если бы ракета летела со скоростью света, то время  в ней, по всей видимости, остановилось бы, сама она схлопнулась бы до нулевой длины, а масса ее стала бы бесконечной. Поскольку все это представляется невыполнимым и противоречит здравому смыслу, Эйнштейн объявил, что световой барьер преодолеть невозможно. (Тот факт, что объект становится тем тяжелее, чем быстрее он движется, означает, что энергия движения переходит в массу. Точное количество энергии, которая при этом превращается в массу, посчитать несложно — всего за несколько строк преобразований можно получить знаменитое уравнение Е = mс².)

 

Самое наглядное подтверждение  справедливости этой концепции можно  найти в ускорителях, где ученые разгоняют частицы до околосветовых скоростей. На гигантском ускорителе CERN, построенном в Швейцарии недалеко от Женевы, — Большом адронном коллайдере — протоны ускоряются до нескольких триллионов электрон-вольт и приближаются вплотную к скорости света.

 

Несколько десятилетий физики пытаются отыскать в знаменитом постулате  Эйнштейна хоть какие-то лазейки. Кое-что  удалось обнаружить, но в большинстве  своем эти лазейки не слишком  полезны практически. К примеру, если провести по небосводу лучом  фонарика, то в принципе световой зайчик от луча может двигаться быстрее  света. За несколько секунд образ  светового луча проходит расстояние между противоположными точками  горизонта, составляющее, вообще говоря, сотни световых лет. Но это не имеет  значения, так как таким образом  невозможно передать какую бы то ни было информацию. Получается, что образ светового луча превысил скорость света, но образ как таковой не несет ни энергии, ни информации.

 

Физики считают, что на самую важную лазейку в своей  теории указал сам Эйнштейн. В 1915 г. он создал общую теорию относительности, еще более мощную, чем специальная  теория относительности. Первые ростки новой теории возникли у Эйнштейна, когда он наблюдал за движением детской  карусели. Как мы уже говорили, при  приближении к скорости света  объекты сжимаются. Чем быстрее  мы движемся, тем сильнее сжимаемся. Но во вращающемся диске внешние  слои движутся быстрее, чем внутренние. (А центр практически остается на месте.) Это означает, что линейка, помещенная на край диска, должна будет  сжаться, а такая же линейка ближе  к центру останется почти неизменной, — а значит, поверхность карусели будет уже не плоской, а вогнутой. Сделаем вывод: ускорение карусели искривляет на ней пространство и  время.

 

В общей теории относительности  пространство-время можно сравнить с полотном, которое может сжиматься  и растягиваться. При определенных обстоятельствах это полотно  может растягиваться быстрее  скорости света. К примеру, представьте  себе Большой взрыв — 13,7 млрд лет назад в гигантском космическом взрыве родилась наша Вселенная. Можно подсчитать, что первоначально Вселенная расширялась быстрее скорости света. (Это не противоречит специальной теории относительности, так как расширялось пустое — межзвездное — пространство, а не сами звезды. Расширение пустого пространства не несет никакой информации.)

 

Самое важное в этой ситуации то, что специальная теория относительности  применима только локально, т.е. в  ближайшей окрестности наблюдателя. В нашей ближайшей окрестности (к примеру, в Солнечной системе) она работает, в чем мы легко  можем убедиться по данным наших  космических зондов. Но глобально (т.е. в космологическом масштабе, в  масштабе Вселенной) мы должны пользоваться не специальной, а общей теорией  относительности. В ней пространство-время  превращается в ткань, и ткань  эта способна растягиваться быстрее  света. Кроме того, она допускает  существование «простран-ственных дыр», которые позволяют мгновенно преодолевать пространство и время.

 

Значит, один из способов путешествовать быстрее скорости света — воспользоваться  общей теорией относительности. Сделать это можно двумя способами.

 

Растянуть пространство. Если бы мы научились растягивать пространство позади себя и сжимать пространство впереди, впечатление бы возникло такое, как будто мы переместились из одного места в другое быстрее  света. На самом деле мы не двигались  бы вообще. Но деформация пространства впереди и позади корабля позволила  бы нам в мгновение ока добраться  до отдаленных звезд.

 

Разорвать пространство. В 1935 г. Эйнштейн ввел понятие «кротовая  нора». Представьте себе зеркало  Алисы — волшебное устройство, соединяющее между собой окрестности  Оксфорда и Страну чудес. Кротовая нора — это «устройство», способное  служить связующим звеном между  двумя вселенными. В школе мы узнали, что кратчайшее расстояние между  двумя точками — прямая. Но это не обязательно так; если свернуть лист бумаги так, чтобы точки соединились, то кратчайшим расстоянием между ними как раз и станет кротовая нора.

 

Как говорит физик Мэтт Виссер из Вашингтонского университета, «сообщество релятивистов задумалось о том, что нужно сделать, чтобы вывести двигатель деформации пространства или кротовые норы из категории научной фантастики».

 

А сэр Мартин Рис, королевский  астроном Великобритании, говорит даже так: «Кротовые норы, дополнительные измерения и квантовые компьютеры открывают путь для множества  гипотетических сценариев, которые  когда-нибудь, возможно, превратят всю  нашу Вселенную в "живой космос"».