Галактики та космос

Чому швидкість світла не можна перевищити?

Тому що це фізична константа, що існує незалежно від нашого знання і розуміння. Але такий простий відповідь не влаштовує, надто вже він нагадує банальне «на все воля божа». Цікавість мучить людей і призводить часто до парадоксальних висновків. Яскравий приклад такого висновку – спеціальна теорія відносності, розроблена Альбертом Ейнштейном. Те, що вона передбачає, суперечить інтуїції, але адже і Земля – куля, а ми бачимо її порівняно плоскою.

Гіпотетичний двигун Алькубьерре діє за рахунок викривлення простору. Джерело: vokrugsveta.ru

Необхідно розібратися звідки взагалі виникло це питання і чому правильна відповідь настільки важливий. Адже його істинність викликає безперервні пристрасні дискусії, незважаючи на наявні експериментальні підтвердження. Відповідь вимагає передмови.

Історія проблеми

До середини 19 століття у фізику панувала теорія світлоносного ефіру, сформульована Рене Декартом і підтверджена Максвеллом у рамках його електромагнітної теорії. Були й інші гіпотези ефіру, але всі вони так чи інакше описували тривимірне простір, заповнений якоюсь субстанцією, яка переносить світло та інші електромагнітні хвилі. Їх поведінка намагалися пояснити законами Ньютона, а при зміні системи координат застосовували перетворення Галілея.

Передбачалося, що швидкість світла підпорядковується тим же правилам, хоча й дуже велика. Все змінила в 1881 році спроба Майкельсоном і Морлі її виміряти. З’ясувалося, що швидкість світла не залежить від напрямку руху Землі. Цей результат підривав теорію ефіру в корені, і експериментатори зробили висновок про її неспроможність.

Їм не повірили і повторили досвід багато разів, уточнюючи отримані дані. У 1964 році для цього використовували в якості джерел світла гелій-неонові лазери, потім оптичні кріогенні резонатори з точністю виміру 1 – у -16 ступеня. Результат знову підтвердив сталість швидкості світла при будь-яких зовнішніх впливах. Так що Нобелівську премію з фізики 1907 року Майкельсон отримав цілком заслужено.

Перетворення Лоренца

Видатний нідерландський фізик Хендрік Антон Лоренц багато років займався теорією ефіру і в ході досліджень прийшов до необхідності введення поняття «місцевого часу» для системи, що рухається в нерухомому ефірі. Він сам вважав виведену формулу проміжної, але отримав нові рівняння для перетворення швидкостей, відмінну від галилеевской.

Передбачалося, що ця теорія відноситься тільки до електромагнітним хвилям. Лоренц так і не зважився зробити останній крок, і поширити свої постулати на об’єкти, що має масу. Незважаючи на це він отримав у 1902 році Нобелівську премію з фізики.

Спеціальна теорія відносності

Отже, доведено, що світло поширюється у вакуумі зі швидкістю 299 792 458 м/с і вона не залежить від швидкості руху джерела або системи відліку. Альберт Ейнштейн у 1905 році зробив цю інваріантість одним з постулатів своєї теорії, виключивши з неї світлоносний ефір. Що спричинило за собою революційні наслідки.

Постулирована еквівалентність маси і енергії

Цю формулу знають навіть самі далекі від фізики люди. Але вона вірна тільки при швидкостях значно нижче світловий. Як тільки швидкість об’єкта стає порівнянна з нею, то вступає в свої права так званий Лоренц-фактор ƴ.

Де v – швидкість об’єкта, з – швидкість світла. При низьких швидкостях, з якими має справу ньютоновская механіка, коефіцієнт наближається до 1 настільки, що ним можна знехтувати без втрати точності. Але з наближенням V C його значення зростає по експоненті, що наочно демонструє графік, наведений нижче.

Тепер формула виглядає так:

Ми бачимо, що для досягнення швидкості світла матеріальним тілом, що мають інертну масу, потрібно нескінченну кількість енергії. У цьому і криється причина того, що швидкість світла не можна перевищити.

Навіть вченим, які працюють на Великому адронному колайдері Церну, не вдалося розігнати протони до світлової швидкості, хоча і підійшли до неї впритул. Результатом стало відкриття «частинки бога», бозона Хіггса, який відповідає за наявність маси тел.

Related posts

Leave a Comment