Скорость света в вакууме — это фундаментальная постоянная, не зависящая от выбора системы отсчёта.
В современную эпоху люди разработали несколько действительно быстрых устройств. У нас есть невероятно быстрые самолеты, сверхбыстрые истребители, скоростные пассажирские железнодорожные экспрессы и так далее. Тем не менее, во вселенной есть нечто, что движется быстрее всего того, что мы можем создать — это свет.
Возможно, некоторые из вас задумывались — а каково это было бы путешествовать со скоростью света?
И что происходит, когда мы путешествуем со скоростью света? Краткий ответ таков: например, человек, путешествующий с такой скоростью, испытывает замедление времени. Для этого человека время будет двигаться медленнее, чем для того, кто не движется.
До 1900-х годов мир твердо верил в взгляд Исаака Ньютона с точки зрения объектов и гравитации. Однако в 20 веке Альберт Эйнштейн навсегда изменил этот мир.
Теория относительности, выдвинутая Эйнштейном, прояснила многие сомнения относительно массы и энергии. Уравнение эквивалентности массы и энергии доказало, что масса и энергия взаимопревращаемы, а это означает, что масса может быть преобразована в энергию и наоборот.
Он предположил, что нет стандартной системы отсчета. Все относительно — даже время. Исходя из этого, был сделан вывод, что скорость света постоянна и не зависит от наблюдателя. Следовательно, если человек движется со скоростью, равной половине скорости света, в том же направлении, что и сам свет, то луч света для него будет выглядеть так же, как и для неподвижного человека.
Что означает эквивалентность массы-энергии?
Это означает, что если объект движется со скоростью, которая составляет 10% от скорости света, то он будет испытывать увеличение своей массы на 0,5% от его первоначальной массы. С другой стороны, если объект путешествовал бы со скоростью 90% скорости света, тогда его масса была бы в 2 раза больше его первоначальной массы.
Скорость света «С» (имеется в виду скорость света в вакууме) — это фундаментальная постоянная, не зависящая от выбора системы отсчёта. Она относится к фундаментальным физическим постоянным, которые характеризуют не просто отдельные тела или поля, а свойства геометрии пространства-времени в целом. А теперь ответим на некоторые вопросы.
Можем ли мы путешествовать со скоростью света?
Нет, к сожалению мы не можем путешествовать со скоростью света.
Видите ли, если объект движется со скоростью света, его масса будет расти в геометрической прогрессии! Подумайте об этом — скорость света составляет около 299 792 километров в секунду (1.079.252.848,8 км. в час) и когда объект движется с такой скоростью, его масса становится бесконечной.
Поэтому для перемещения объекта потребуется бесконечная энергия, что невозможно. Вот почему ни один материальный объект не может двигаться со световой скоростью или со скоростью, превышающей скорость света.
Сколько понадобиться времени, чтобы преодолеть расстояние в один световой год? (световой год — это расстояние, которое свет проходит в вакууме за один год, около 10 триллионов километров).
На световой скорости: один год
На половине скорости света: два года
Корабли Breakthrough Starshot, что будут путешествовать со скоростью 0,2с:
5 лет
На скорости самого быстрого за всю историю человека искусственного объекта (Гелиос 2,):
4.269 лет
При скорости атома водорода в ядре Солнца:
15.500 лет
На максимальной скорости ракеты Saturn V, которая доставила человека на Луну:
108.867 лет
На скорости самого быстрого самолета в мире:
305.975 лет
На скорости звука:
882327 лет
На скорости автомобиля по шоссе:
8.388.270 лет
При скорости ходьбы :
215.993.799 лет
В темпе улитки:
Сколько времени займет путешествие на расстояние одного светового года со скоростью в одну десятую скорости света?
Логично предположить, что путешественнику понадобиться десять лет.
Однако, странные вещи могут случаться, когда вы путешествуете со скоростью, близкой к скорости света.
Допустим, космонавт находится на космическом корабле, движущемся со скоростью в одну десятую скорости света, и он покидает Землю и летит на какую-то гипотетическую планету на расстоянии одного светового года.
© Pixabay License
Наблюдатель остается на Земле и смотрит, как путешествует космонавт. И действительно, с точки зрения наблюдателя, космонавту понадобится десять лет, чтобы добраться до этой планеты. Но поскольку путешественник движется с субсветовой скоростью, время течет медленнее для него, чем для наблюдателя.
То есть каждый раз, когда часы на Земле отсчитывают минуту, на космическом корабле часы проходят чуть меньше одной минуты.
Это означает, что с точки зрения путешественника (на космическом корабле) понадобится менее десяти лет, чтобы добраться до пункта назначения!
Разница в этом случае довольно мала: она составляет около 99,4% из десяти лет. Это означает, что космический полет окажется примерно на двадцать дней короче, чем для наблюдателя на Земле.
Существует уравнение для расчета замедления времени с учетом относительной скорости объекта:
Где Δ��0 — временной интервал путешественника (называемый собственным временем), Δ�� ′ — временной интервал Земли, �� — скорость путешественника (на который ссылается Земля), а �� — скорость света.
Для повседневных скоростей (например, скорости самолета) �� мала, поэтому эффекты замедления времени незначительны. Но если мы двигаемся со скоростью больше чем 1/10 скорости света, мы начинаем видеть заметные эффекты.
Что если мы будем двигаться почти со скоростью света?
Если мы говорим о скорости, почти равной скорости света, скажем, 90% скорости света, то будут весьма интересные наблюдения.
С одной стороны, человек, путешествующий с такой скоростью, испытает замедление времени. Для этого человека время будет идти медленнее, чем для того, кто не движется.
Например, если человек путешествует в космосе со 90% скорости света, то для этого человека будут проходить только 10 минут времени, в то время как для наблюдателя на Земле пройдет 20 минут. Время будет сокращено вдвое!
Кроме того, поле зрения космического путешественника резко изменится. Мир предстанет перед ним через окно в форме туннеля перед космическим кораблем, в котором он путешествует. Кроме того, звезды впереди будут казаться голубыми, а звезды позади — красными.
Это связано с тем, что световые волны от звезд перед кораблем будут собираться вместе, в результате чего объекты будут казаться синими, а световые волны от звезд за кораблем будут расходиться и выглядеть красными, вызывая экстремальный эффект Доплера.
После определенной скорости космический путешественник увидит только черноту, потому что длина волны света, попадающего на его глаза, будет вне видимого спектра.
Но эффект замедления времени усиливается, если двигаться все быстрее и быстрее. Скажем, космический корабль летит со скоростью 99,999999% от скорости света — тогда, с точки зрения наблюдателя на Земле, космонавт в основном движется со скоростью света, и ему понадобится один год, чтобы добраться до планеты, расположенной на расстоянии одного светового года.
Но с точки зрения космонавта, такое путешествие займет только чуть более часа! Этот эффект называется релятивистским замедлением времени, и он связан со многими другими странными вещами, которые происходят, когда объекты движутся с релятивистскими скоростями (то есть со скоростями, близкими к скорости света).
Эти понятия замедления времени и специальной теории относительности особенно интересны для размышления. Например, если в один прекрасный день у нас развивается скорость, близкая к скорости света, мы можем двигаться «вперед» во времени относительно Земли.
Космонавт может путешествовать в течение нескольких месяцев или лет на своем космическом корабле и вернуться на Землю, чтобы обнаружить, что все остальные постарели на десятилетия или столетия!
Другая возможность состоит в том, что те путешественники, которые исследуют глубокие просторы космоса, смогут перемещаться на большие расстояния, не состарившись, и все благодаря замедлению времени. Вы сами можете посчитать, как зависит течение времени от скорости:
Калькулятор показывает замедление времени для космического путешественника по сравнению с наблюдателем с Земли, где временной интервал — это время, прошедшее на земле, скорость ракеты — это скорость космического корабля и космонавта, а относительное время — это время, которое прошло для космонавта на космическом корабле. Считать можно как в одну, так и в другую стороны.
На калькуляторе вы сможете видеть, что для того, чтобы разница в двух временных интервалах была заметной, скорость путешественника (скорость ракеты) должна быть чрезвычайно высокой — того же порядка, что и скорость света (299792.4 км/с).
Вот почему релятивистские эффекты настолько противоречивы: мы не можем испытать их в повседневной жизни и не замечаем их.
Конечно, эти эффекты реальны и измеримы. Часы на спутниках идут немного медленнее, чем на поверхности Земли. Как только мы сможем путешествовать со скоростью, достаточно близкой к скорости света — например, при 0,8 С — мы также увидим релятивистский эффект.
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.
Задумывались ли вы о том, можно ли путешествовать со световой скоростью? Вероятно, при наличии необходимых технологий, которые помогли бы нам достичь такой скорости, мы смогли бы однажды полететь к краю Вселенной и увидеть, что находится за ее пределами?
Скорость света в вакууме — это постоянная величина, известная нам достаточно точно: так, свет движется со скоростью 299 792 458 метров в секунду. Это скорость распространения всех электромагнитных полей в вакууме, включая радиоволны, инфракрасное, ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучение.
Согласно Специальной теории относительности Эйнштейна, ничто не может двигаться быстрее света. В обычных условиях свет для нас действительно движется мгновенно. Например, мы не успеваем увидеть, как фотоны отражаются от предметов и абсорбируются поверхностями в комнате, когда выключается свет, — настолько быстро это происходит.
Скорость света в пустом пространстве (вакууме) не зависит от относительной скорости между его источником и наблюдателем. Некоторые считают, что это утверждение противоречит здравому смыслу, тем не менее именно это было продемонстрировано экспериментально. Самый известный такой эксперимент был проведен физиками Альбертом Майкельсоном и Эдвардом Морли в конце XIX века. Они обнаружили, что скорость света одинакова во всех направлениях, вне зависимости от того факта, что Земля сама движется через пространство.
Люди определенно любят скорость. С тех пор как было изобретено колесо, а скорость уже не определялась силой наших ног, нам хотелось передвигаться быстрее и быстрее. Чем быстрее человек движется, тем в больший восторг он приходит (хотя, стоит заметить, что для некоторых высокие скорости — пугающая вещь). На сегодня человечество успело разработать невероятно быстрые самолеты, ультрабыстрые истребители, сверхбыстрые скоростные поезда и так далее. Однако у Вселенной в рукаве есть кое-что быстрее, чем что-либо нами достигнутое, — свет.
Итак, возможно, некоторые из вас как-то вечером после тяжелого дня, сидя с бутылкой пива или кружкой чая, задумывались о том, каково это — двигаться со скоростью света.
Человек, движущийся со скоростью света, испытает замедление времени. Для него время будет протекать медленнее по сравнению с человеком, который стоит на месте. Кроме того, сильно изменится их поле зрения. Для человека, движущегося со скоростью света, Вселенная предстанет в форме туннеля перед аппаратом, на котором он путешествует. Рассмотрим эту увлекательную идею.
До XX века мир был уверен в правильности взглядов Исаака Ньютона на объекты и гравитацию. Однако в 1900-х не кто иной, как Альберт Эйнштейн, взял и навсегда изменил мир.
Теория относительности, предложенная им, прояснила множество вопросов, связанных с массой и энергией. Уравнение эквивалентности массы и энергии доказало, что масса и энергия взаимозаменяемы, то есть одно можно преобразовать в другое — и наоборот. Он также предположил, что не существует единственной стандартной системы отсчета. Все относительно, даже время. Тогда к нему и пришло понимание, что скорость света постоянна и не зависит от наблюдателя. Таким образом, если человек движется на 50% от скорости света в том же направлении, что и свет, то луч света будет выглядеть для него так же, как и для человека, стоящего на месте.
Что же касается эквивалентности массы и энергии, то в двух словах это означает, что, если объект движется на 10% от скорости света, его масса увеличится на 0,5% от изначальной массы. В то же время, если объект движется на 90% от скорости света, его масса увеличится вдвое.
Нет, мы не можем двигаться со световой скоростью. Все дело в том, что при движении со скоростью света масса объекта экспоненциально увеличится. Представьте себе следующее: скорость света составляет почти 300 тысяч километров в секунду, и, когда объект движется с этой скоростью, его масса становится бесконечной. Следовательно, чтобы сдвинуть этот объект, потребуется бесконечная энергия (вспоминаем эквивалентность массы и энергии), что крайне непрактично.
Грубо говоря, именно по этой причине ни один объект не может двигаться со скоростью света (кроме самого света) или быстрее.
Что касается движения почти со скоростью света, скажем на 90% от нее, то нас ждут любопытные наблюдения.
Прежде всего, движущийся с такой скоростью человек испытает замедление времени. Время для него будет протекать медленнее, чем для кого-то, стоящего на месте. Например, если человек движется на 90% от скорости света, то, когда для него пройдут 10 минут, для человека, стоящего на месте, пройдут 20 минут.
Стоит упомянуть и о серьезных изменениях в поле зрения. Для человека, движущегося — куда бы то ни было — на 90% от скорости света, как уже было упомянуто выше, Вселенная будет выглядеть так, будто он смотрит на нее через иллюминатор перед своим космическим аппаратом. Звезды, к которым он приближается, будут выглядеть синими, а остающиеся позади — красными. Это обусловлено тем, что световые волны от звезд перед ним будут скапливаться вместе, из-за чего объект будет выглядеть синим, а световые волны от звезд, остающихся позади, будут растягиваться и приобретать красный цвет, вызывая экстремальный эффект Доплера.
После преодоления определенной отметки человек погрузился бы во тьму, так как длины волн, попадающие ему в глаза, были бы вне видимого спектра.
Конечно, даже учитывая всю непрактичность и препятствия, связанные с путешествием со скоростью света (или почти), это определенно было бы то еще приключение.
В фантастических фильмах космические межзвездные корабли поголовно летают почти со скоростью света. Обычно это так называемая фантастами гиперскорость. И писатели, и режиссеры фильмов описывают и показывают его нам практически одинаковым художественным приемом. Чаще всего, что бы корабль совершил стремительный рывок, герои дергают или нажимают кнопку управляющего элемента, и транспортное средство мгновенно ускоряется, разгоняясь практически до скорости света с оглушительным хлопком. Звезды, которые зритель видит за бортом корабля, сначала мелькают, а потом и вовсе вытягиваются в линии. Но так ли выглядят звезды в иллюминаторах космического корабля на гиперскорости на самом деле? Исследователи уверяют, что нет. В реальности пассажиры корабля вместо вытянувшихся в линии звезд увидели бы лишь яркий диск.
Если объект будет двигаться почти со скоростью света, то он может увидеть в действии эффект Доплера. В физике так называют изменение частоты и длины волн из-за быстрого передвижения приемника. Частота света звезд, мелькающих перед зрителем из корабля, увеличится настолько, что сместится из видимого диапазона в рентгеновскую часть спектра. Звезды словно исчезнут! Одновременно уменьшится длина реликтового электромагнитного излучения, оставшегося после Большого Взрыва. Фоновое излучение станет видимым и предстанет светлым диском, затухающим по краям.
А как же выглядит мир со стороны объекта, который достигнет скорости света? Как известно, на таких скоростях двигаются фотоны, частицы света, из которых он состоит. В этом вопросе нам поможет специальная теория относительности. Согласно ей при движении объекта со скоростью света сколь угодно долго, время, затраченное на движение этим объектом, становится равным нолю. Простым языком, если двигаться со скоростью света, то невозможно совершить никакое действие, вроде наблюдения, видения, зрения и так далее. Объект, летящий со скоростью света, фактически ничего не увидит.
Фотоны всегда летят со скоростью света. Они не тратят время на разгон и торможение, поэтому вся их жизнь для них длиться ноль времени. Если бы мы были фотонами, то наши моменты рождения и смерти совпали бы, то есть мы бы просто не осознали, что мир вообще существует. Стоит заметить, что если объект разгонится до скорости света, то его скорость во всех системах отсчета становится равной скорости света. Вот такая фот физика. Применяя специальную теорию относительности, можно сделать вывод, что для объекта, двигающегося со скоростью света, весь окружающий мир предстанет бесконечно сплющенным, а все происходящие в нем события состоятся в один момент времени.
