Как обогнать свет? [Veritasium]
Скорость света считается абсолютным пределом скоростей во вселенной. Согласно специальной теории относительности Эйнштейна, ничто не может двигаться сквозь пространство быстрее света. Но это не мешает людям пытаться каждый день. Мне приходят письма, авторы которых предлагают все новые способы обогнать свет.
Вот классический метод, суть которого заключается в том, что вы светите лазером на Луну. Если луч пересечет поверхность Луны меньше чем за сотую долю секунды, чего не сложно добиться, тогда лазерное пятно будет двигаться по поверхности Луны быстрее скорости света. Представьте, как бы это выглядело с лунной поверхности. Если бы мы могли, то увидели бы, как пятно от лазера движется быстрее, чем свет, идущий от него самого. Как такое возможно?
В действительности ничего здесь не движется быстрее скорости света. Отдельные частицы света, фотоны, выходящие из моего лазера, по-прежнему летят к Луне со скоростью света. Они просто прилагаются бок о бок так быстро, что формируют пятно, которое движется быстрее скорости света. Но это не больше чем иллюзия. На деле ничего здесь не перемещается быстрее света так, чтобы таким образом можно было передавать информацию.
Дэн спрашивает: а что если вместо лазера мы возьмем длинную жесткую палку? И правда, если махнуть палкой, то край должен двигаться по поверхности Луны быстрее света. К сожалению, это тоже не сработает. Как мы узнали ранее, наибольшая скорость, которой сила может передаваться сквозь тело, — это скорость звука. Каждому атому нужно ударить своего соседа, чтобы передать эту силу, и это затухающий процесс. Вам повезет, если хоть немного энергии доберется до другого конца палки. Повезет, если другой конец вообще сдвинется.
Вот еще одна довольно изощренная идея. Джира пишет: можно построить особый космический двигатель, способный в открытом космосе совершать 10 000 оборотов в минуту с очень большим крутящим моментом. Проконсультируйтесь у Элона Маска на этот счет. Пусть двигатель потихоньку раскручивает два очень длинных троса из углеродных нанотрубок и цепляет к ним с двух сторон. Скажем, каждый трос достигает фантастической длины в 285 километров. Тогда концы тросов будут двигаться со скоростью света. Если сможешь, приведи пару аргументов, почему это не сработает.
Да, рад, я смогу. Во-первых, любому предмету, движущимися по кругу, нужна сила, которая вытянет его в центр этого круга. Это центростремительная сила. Ее легко почувствовать, когда вращаешь мячик над головой. Эта сила зависит от скорости тела в квадрате, так что если она станет слишком большой, трос порвется. Если у нас есть один грамм вещества, вращающегося со скоростью 99 процентов от скорости света, сила, необходимая, чтобы тянуть его к центру, равняется 300 мигания тоном — это вес 6000 взрослых африканских слонов.
Но ты прав, углеродные нанотрубки и правда невероятно крепкий канат толщиной всего 8 сантиметров могут выдержать такую нагрузку. Но проблема в том, что один сантиметр такого каната, даже меньше, добавить еще один грамм веса к концу твоих тросов, и теперь нам нужен канат еще толще, чтобы выдержать дополнительную нагрузку, и так далее. Для самого двигателя этот канат будет становиться все толще и толще, и толще. Если посчитать, то уже через 30 метров у конца толщина вашего каната должна превысить размеры обозримой вселенной. Это бред!
Но и это еще не все. Вместе с ускорением тело растет и его инерция. Это значит, что ускоряющая сила тоже должна расти. В действительности, 1 грамм, движущийся со скоростью 99 процентов скорости света, потребует в 1000 раз большую силу, чем то, что мы вычислили прежде. Так что трос должен быть еще толще. Но если подумать об ускорении конца троса на этот один недостающий процент, то ситуация кажется еще хуже, ведь инерция становится больше и больше. Нужно больше и больше силы, чтобы продолжать ускорение. Выходит, чтобы преодолеть этот один процент, потребуется бесконечная энергия.
Хорошо, забудем про бесконечный виннер. Скажем, мы создали супер-двигатель и нашли материал, намного прочнее и легче углеродных нанотрубок. Возможно ли хотя бы в принципе, что конец троса таки обгонит свет? Нет, есть одна непреодолимая проблема. Атомы нашего троса, как и вообще все, держатся друг за друга за счет электромагнитного взаимодействия, то есть притяжения между всеми этими крошечными зарядами, из которых и состоит материя. Но электромагнетизм — это сила, переносимая фотонами. То есть только благодаря обмену фотонами одна частица знает о том, что где-то рядом есть другая, которую нужно притягивать.
Проблема в том, что фотоны движутся со скоростью света. Так что даже если удастся создать этот невероятный аппарат из невероятно крепких материалов и раскрутить его с бесконечной энергией, он по-прежнему не будет двигаться со скоростью света. Ведь сами переносчики силы, которые не позволяют всему этому развалиться, движутся всего лишь со скоростью света. Скорость света и правда абсолютный предел скоростей во вселенной.