Существуют явления быстрее скорости света. Это сломает вам мозг!

Говорят, что скорость света — это «потолок» Вселенной, выше которого не может разогнаться ни один объект. Но если копнуть чуть глубже, выясняется, что некоторые вещи все-таки способны преодолеть этот барьер , правда, с одной важной оговоркой. Они не являются «вещами» в привычном смысле. Давайте разберемся, что именно стоит за этим парадоксом и почему физики не видят в нем противоречия.

Удивительно, но иногда скорость света становится ниже

Чему равна скорость света

Для начала поговорим про конкретные цифры. Скорость света в вакууме — это ровно 299 792 458 метров в секунду. Для удобства ее обычно округляют до 300 000 км/с. В километрах в час это и вовсе головокружительная величина — около 1 079 252 849 км/ч. Чтобы представить масштаб, пойите, что за одну секунду свет мог бы обогнуть Землю по экватору почти 7,5 раз.

Интересно, что число 299 792 458 м/с — это не результат последнего замера, а определение. С 1983 года сам метр привязан к скорости света: один метр — это расстояние, которое свет проходит в вакууме за 1/299 792 458 секунды. Поэтому скорость света не может стать «точнее» — она по определению точна.

Эта величина — одна из фундаментальных констант природы. Она не зависит ни от того, кто ее измеряет, ни от того, как движется источник света. Именно на этом построена специальная теория относительности Эйнштейна.

Почему скорость света выше скорости звука

Чтобы по-настоящему прочувствовать, насколько свет быстр, полезно сравнить его со звуком. Скорость звука в воздухе при обычных условиях — примерно 343 м/с, или около 1235 км/ч. Это значит, что свет быстрее звука примерно в миллион раз.

Каждый из нас наблюдал это вживую. Во время грозы мы сначала видим вспышку молнии и лишь через несколько секунд слышим гром — именно потому, что свет добирается до наших глаз практически мгновенно, а звуку нужно время.

Но главное различие даже не в скорости. Звук — это колебания среды: воздуха, воды, металла. Без среды он не может существовать — в космическом вакууме полная тишина. А свет — это электромагнитная волна, которой никакая среда не нужна. Он прекрасно летит через абсолютную пустоту.

Будь в курсе новых событий по максимуму — подписывайся на наш канал в Max!

Скорость света в воде и других средах

Когда мы говорим «скорость света», почти всегда имеем в виду скорость в вакууме. Но в реальном мире свет почти всегда проходит через какую-то среду — воздух, воду, стекло. И в каждой из них он замедляется.

Насколько — зависит от показателя преломления среды. Для воды он равен примерно 1,33. Это значит, что скорость света в воде — около 225 000 км/с, то есть на четверть меньше, чем в вакууме. В воздухе замедление совсем крохотное — всего на 90 км/с. А вот в алмазе свет тормозится почти в 2,5 раза.

Почему это важно? Потому что в среде, где свет замедлен, другие частицы теоретически могут двигаться быстрее него. Например, электрон, влетающий в воду с околосветовой скоростью, обгоняет свет в этой воде. При этом возникает красивое голубоватое свечение — эффект Вавилова-Черенкова, о котором мы уже подробно рассказывали. Но даже в этом случае электрон не превышает скорость света в вакууме.

Свечение Вавилова-Черенкова. Источник изображения: 24hitech.ru

Почему ничто с массой не может достичь скорости света

Вот здесь начинается самое интересное. Специальная теория относительности объясняет: чтобы разогнать объект с массой до скорости света, потребуется бесконечное количество энергии. Буквально — бесконечное. Не «очень много», а математически бесконечное!

Представьте, что вы толкаете тележку в гору, которая становится все круче. Чем ближе к вершине, тем больше сил нужно на каждый следующий метр. А вершина при этом всегда остается чуть впереди. Примерно так работает разгон массивного тела: чем ближе к скорости света, тем больше энергии уходит на каждый дополнительный метр в секунду.

На практике физики давно научились разгонять частицы до 99,9999% от скорости света в ускорителях вроде Большого адронного коллайдера. Но оставшаяся доля процента требует колоссальных затрат энергии, и достичь ровно 100% невозможно.

А вот безмассовые частицы, фотоны, ведут себя ровно наоборот. Они всегда летят со скоростью света и не могут двигаться медленнее (в вакууме). Скорость света — это единственная скорость, на которой они существуют.

Часть Большого адронного коллайдера. Источник изображения: wikimedia.org

Что может двигаться быстрее скорости света

Если ни один объект с массой не способен разогнаться до скорости света, то что же тогда может ее превысить? Ответ: «не-вещи» — явления, которые не переносят ни материю, ни информацию.

Самый простой пример — тень. Представьте, что вы машете рукой перед мощным прожектором, а тень падает на очень далекую стену. Край тени на стене перемещается гораздо быстрее вашей руки. Если стена достаточно далеко, тень запросто «движется» быстрее света. Но тень — это не объект. Она не несет массу и не передает информацию. Это просто отсутствие света.

Другой пример — расширение Вселенной. Две далекие галактики могут разлетаться друг от друга со скоростью, превышающей скорость света. Но дело в том, что разлетаются не сами галактики, а растягивается само пространство между ними. Галактики просто «сидят» на расширяющейся ткани космоса, как точки на надувающемся воздушном шарике.

Ни тень, ни расширение пространства не переносят информацию быстрее скорости света. А значит, фундаментальный запрет не нарушается.

Расширение Вселенной: пространство растягивается, и галактики удаляются друг от друга

Что такое тахион в физике

В физике существует гипотетическая частица под названием тахион. Если она существует, то всегда движется быстрее света и не может замедлиться до световой скорости — зеркальное отражение обычных частиц. Но ни один тахион до сих пор не был обнаружен экспериментально. Пока это чисто теоретическая конструкция.

Были и громкие заявления. В 2011 году эксперимент OPERA вроде бы зафиксировал нейтрино, летящие быстрее света. Но позже оказалось, что виной всему был неисправный кабель оптоволоконного соединения. После исправления ошибки нейтрино вернулись в рамки привычных законов физики.

Обсудить эту тему можно в нашем Telegram-чате. Присоединяйтесь к нам!

Скорость света остается главным ограничением для всего, что имеет массу и несет информацию. Физики называют ее не просто «скоростью света», а скоростью причинности — максимальной скоростью, с которой одно событие может повлиять на другое во Вселенной. Тени, расширяющееся пространство и квантовые корреляции этот запрет формально обходят, но ни одно из них не позволяет послать письмо быстрее фотона. И пока ни один эксперимент в истории физики этого не опроверг.