Чотири способи подолати всесвітнє обмеження швидкості
Коли Альберт Ейнштейн вперше встановив, що світло рухається з однаковою швидкістю по нашому Всесвіту, він, по суті, встановив обмеження швидкості на 299 792 458 метрів за секунду. Але це не кінець. Насправді це лише початок. До Ейнштейна маса — атоми, з яких ви, я й усе довкола — і енергія розглядалися як окремі величини. Але в 1905 Ейнштейн назавжди змінив спосіб фізичного сприйняття Всесвіту.
Спеціальна теорія відносності пов'язала масу та енергію разом у простому, але фундаментальному рівнянні E=mc^2. Це маленьке рівняння означає, що ніяка маса не може рухатися так само швидко, як світло або швидше.
Людство найближче підходило до межі швидкості світла у потужних прискорювачах частинок на зразок Великого адронного колайдера та Теватрона. Ці колосальні машини прискорюють субатомні частинки до 99,99% швидкості світла, але, як пояснює нобелівський лауреат з фізики Девід Гросс, ці частки ніколи не досягають космічної межі швидкості.
Для цього знадобиться нескінченна кількість енергії, а маса об'єкта стане нескінченною, що неможливо. (Частини світла фотони можуть рухатися зі швидкістю світла, тому що маси не мають).
Після Ейнштейна фізики виявили, що деякі величини можуть досягати надлюмінальних (або надсвітлових) швидкостей і, як і раніше, дотримуватись космічних правил, встановлених спеціальною теорією відносності. Хоча це не спростовує теорію Ейнштейна, воно дає нам уявлення про своєрідну поведінку світла та квантовий простір.
Світловий еквівалент звукового удару
Коли об'єкти рухаються швидше за швидкість звуку, вони створюють звуковий удар. Таким чином, у теорії, якщо щось рухається швидше за швидкість світла, воно повинно вироблятищось на кшталт «світлового удару».
За фактом, цей світловий удар відбувається щодня і по всьому світу — його можна навіть побачити очима. Він називається випромінюванням Черенкова (ефектом Черенкова - Вавілова) і виглядає як блакитне свічення всередині ядерних реакторів (на знімку нижче - Просунутого випробувального реактора).
Випромінювання Черенкова названо на честь радянського вченого Павла Олексійовича Черенкова, який уперше виміряв його у 1934 році та був удостоєний Нобелівської премії з фізики у 1958 році за своє відкриття.
Випромінювання Черенкова світиться, тому що ядро реактора занурене у воду з метою охолодження. У воді світло рухається повільніше, його швидкість становить 75% швидкості світла у вакуумі космосу, але електрони, які народжуються в процесі реакції всередині ядра, рухаються у воді швидше за світло.
Частинки на зразок цих електронів, які перевершують у швидкості світло у воді або будь-якому іншому середовищі на зразок скла, створюють ударну хвилю, подібну до ударної хвилі від звукового удару.
Коли ракета, наприклад, проходить через повітря, вона генерує хвилі тиску перед собою, які штовхають повітря зі швидкістю звуку і чим ближче ракета до звукового бар'єру, тим менше часу залишається біля хвиль, щоб піти з шляху об'єкта. Досягши швидкості звуку, ракета змалює хвилі в купу, створюючи ударний фронт, що призводить до потужного звукового удару.
Аналогічно, коли електрони рухаються крізь воду зі швидкістю, що перевищує швидкість світла у воді, вони породжують ударну хвилю світла, яка іноді світиться синім кольором, але може світитися і в ультрафіолеті.
Хоча ці частинки рухаються швидше світла у воді, насправді вони не порушують космічного обмеження швидкості в 300 000 км/с.
Коли правила не враховуються
Не варто забувати, що спеціальна теорія відносності Ейнштейна стверджує, що ніщо з масою не може рухатися швидше за швидкість світла; і, наскільки фізики можуть стверджувати, всесвіт дотримується цього правила. Але що робити з тим, що без маси?
Фотони за своєю природою не можуть перевершити швидкість світла, але частинки світла – не єдині безмасові речі у всесвіті. Порожній простір не містить матеріальну субстанцію, а отже, не має маси за визначенням.
«Оскільки ніщо не може бути порожнім, ніж вакуум, він може розширюватися швидше за швидкість світла, оскільки жоден матеріальний об'єкт не порушує світловий бар'єр, — вважає астрофізик-теоретик Мічіо Каку. — Таким чином, порожній простір, безумовно, може рухатися швидше за світло».
Фізики вважають, що так і сталося одразу після Великого Вибуху в епоху інфляції, яку вперше припустили фізики Алан Гут та Андрій Лінде у 1980-х роках. Протягом трильйонної трильйонної частки секунди Всесвіт множився на два розмірах і в результаті розширився експоненційно дуже швидко, значно перевищивши швидкість світла.
Квантова заплутаність зрізує кути
Квантова заплутаність здається складною та лякаючою, але в найпростішому сенсі заплутаність — це просто спосіб взаємодії субатомних частинок. І що найцікавіше в цьому явищі, так це те, що процес цього зв'язку може відбуватися швидше за світло.
«Якщо два електрони звести досить близько, вони почнуть вібрувати в унісон, відповідно до квантової теорії. Потім, якщо розділити ці електрони сотнями чи навіть тисячами світлових років, вони все одно підтримуватимуть зв'язок один з одним. Якщо похитнути один електрон, інший моментально відчує цю вібрацію, швидше за швидкість світла. Ейнштейн думав,що це явище має спростувати квантову теорію, тому що ніщо не може рухатися швидше за світло».
Але в 1935 Ейнштейн, Борис Подільський і Натан Розен спробували спростувати квантову теорію в ході уявного експерименту, який Ейнштейн назвав «жахливою дією на відстані».
За іронією долі, їхня робота лягла в основу так званого парадоксу ЕПР (Ейнштейна — Подільського — Розена), який описує цей миттєвий зв'язок у процесі квантової заплутаності. Це, у свою чергу, може лягти (і поступово лягає) в основу багатьох передових технологій, таких як квантова криптографія.
Мрії про кротові нори
Оскільки ніщо з масою не може рухатися швидше за світло, ви можете розпрощатися з міжзоряними подорожами — принаймні в класичному сенсі, з ракетами та звичайними польотами.
Хоча Ейнштейн і поховав наші мрії про глибокий космос зі своєю спеціальною теорією відносності, він дав нам нову надію на міжзоряні подорожі зі своєю загальною теорією відносності 1916 року.
У той час як спеціальна теорія відносності "одружує" масу та енергію, загальна теорія відносно стуляє разом простір і час.
«Єдиний можливий спосіб подолати світловий бар'єр може бути прихований у загальній теорії відносності та викривленні простору часу, – вважає Каку. — Це викривлення ми називаємо «червоточиною», і воно теоретично може дозволити нам долати величезні відстані миттєво, буквально пронизуючи наскрізь тканину простору-часу».
У 1988 році фізик-теоретик Кіп Торн — науковий консультант та продюсер фільму «Інтерстеллар» — використав рівняння загальної відносності Ейнштейна, щоб передбачити можливе існування червоточин, які відкрили б намдороги в космос. Але в його випадку цим кротовим норам потрібна була дивна екзотична матерія, яка б підтримувала їх у відкритому стані.
«Дивний на сьогодні факт: ця екзотична речовина може існувати завдяки дивностям законів квантової механіки», — пише Торн у своїй книзі «Наука «Інтерстеллара».
І ця екзотична речовина може бути колись створена в лабораторіях на Землі, хоч і в невеликих кількостях. Коли Торн запропонував свою теорію стабільних червоточин у 1988 році, він закликав співтовариство фізиків допомогти йому визначити, чи може у всесвіті існувати достатньо екзотичної речовини, щоб зробити існування червоточин можливим.
«Це породило багато досліджень у сфері фізики; але сьогодні, через тридцять років, відповідь досі неясна, пише Торн. Поки що все йде до того, що відповідь «ні», але, — Ми поки що далеко від остаточної відповіді».