Спросите Итана: как быстро можно достичь скорости света?
Для достижения скорости, близкой к скорости света, многоступенчатой ракете нужно было бы отбрасывать часть своей массы по мере увеличения скорости, как делает изображённая здесь ракета Super Haas
Допустим, вы хотите отправиться в межзвёздное путешествие и добраться до точки назначения как можно быстрее. Возможно, у вас не получится сделать это до завтра, но если бы у вас были все необходимые инструменты и технологии, а также немного помощи от относительности Эйнштейна – смогли бы вы добраться туда через год? А что насчёт приближения к скорости света? Именно об этом задаёт наш читатель свой вопрос на этой неделе:
Я недавно читала книгу, автор которой пытался объяснить парадокс близнецов, представляя космический корабль, 20 лет летящий с ускорением в 1 g, а затем возвращающийся назад. Возможно ли в течение такого времени поддерживать такое ускорение? Если, допустим, начать путешествие в первый день нового года и лететь с ускорением 9,8 метра в секунду в секунду, то, если верить расчётам, до конца года можно достичь скорости света. Как после этого дальше ускоряться?
Для путешествия к звёздам совершенно необходимо поддерживать такое ускорение.
Этот запуск космического корабля Колумбия в 1992 году показывает, что ракета ускоряется не мгновенно – ускорение занимает долгое время
Самые передовые ракеты и системы реактивного движения, созданные человечеством, недостаточно мощные для такой задачи, потому что они добиваются не такого уж большого ускорения. Впечатляющие они потому, что ускоряют огромную массу довольно продолжительное время. Но ускорение таких ракет, как Сатурн-5, Атлас, Фалькон и Союз не превышает ускорение какого-нибудь спортивного автомобиля: от 1 до 2 g, где g – 9,8 метра на секунду в квадрате. В чём разница между ракетой и спортивным автомобилем? Своего предела автомобиль достигнет секунд через 9, на отметке в 320 км/ч. Ракета же может ускоряться так гораздо дольше – не секунды или минуты, но четверть часа.
Самой первой с космического центра на мысе Кеннеди НАСА запустило ракету Аполло-4. Хотя она ускорялась так же, как спортивный автомобиль, её ключ к успеху был в длительной поддержке этого ускорения
Именно так мы можем преодолеть гравитационное притяжение Земли и выйти на орбиту, достичь других миров в нашей Солнечной системе или даже вырваться из солнечного притяжения. Но в какой-то момент и мы дойдём до предела – ускоряться можно ограниченное время из-за ограничений на количество переносимого топлива. Используемое нами ракетное топливо, к несчастью, чрезвычайно неэффективно. Вы видели знаменитое уравнение Эйнштейна, E = mc 2 , описывающее массу, как форму энергии, и то, что энергию можно хранить в виде материи. Наше замечательное ракетное топливо ужасно неэффективно.
Первый пробный запуск двигателя SpaceX Raptor в начале 2016
Используя химические реакции, топливо преобразует не более 0,001% своей массы в энергию, жёстко ограничивая максимальную скорость, доступную космическому кораблю. И именно поэтому для запуска 5 тонн полезного груза на геостационарную орбиту требуется ракета весом в 500 тонн. Ядерные ракеты были бы более эффективными, и превращали бы порядка 0,5% своей массы в энергию, но идеальным результатом было бы топливо из материи и антиматерии, достигающее 100% эффективности в превращении E = mc 2 . Если бы у вас была ракета определённой массы, неважно, какой, и всего 5% этой массы содержалось бы в антиматерии (а ещё 5% — в одноразовой материи), можно было бы контролировать аннигиляцию во времени. В результате вы получили бы постоянное и устойчивое ускорение в 1 g на гораздо большем промежутке времени, чем даст вам любое другое топливо.
Представление художника о реактивной системе движения с использованием антиматерии. Аннигиляция материи/антиматерии даёт высочайшую плотность физической энергии из всех известных веществ
Если вам требуется постоянное ускорение, то аннигиляция материи/антиматерии, составляющих несколько процентов от общей массы, позволит вам ускоряться с такой скоростью несколько месяцев подряд. Таким способом можно набрать до 40% скорости света, если вы потратите весь годовой бюджет США на создание антиматерии, и будете ускорять 100 кг полезного груза. Если вам нужно ускоряться ещё дольше, вам нужно увеличивать количество взятого с собой топлива. И чем больше вы будете ускоряться, чем ближе вы будете к скорости света, тем сильнее вам будут заметны релятивистские эффекты.
Как ваша скорость увеличивается со временем, если держать ускорение 1 g несколько дней, месяцев, лет или десятилетие
После десяти дней полёта с ускорением в 1 g вы уже минуете Нептун, последнюю планету Солнечной системы. Через несколько месяцев вы начнёте замечать замедление времени и сокращение расстояний. Через год вы наберёте уже 80% от скорости света; через 2 года вы подберётесь к 98% скорости света; через 5 лет полёта с ускорением в 1 g вы будете двигаться со скоростью в 99,99% от скорости света. И чем дольше вы будете ускоряться, тем ближе к скорости света вы подберётесь. Но никогда её не достигнете. Более того, с течением времени на это потребуется всё больше энергии.
На логарифмической шкале видно, что чем дольше вы будете ускоряться, тем ближе к скорости света вы подберётесь, но никогда её не достигнете. Даже через 10 лет вы подберётесь к 99,9999999% скорости света, но не достигнете её
На первые десять минут ускорения потребуется определённое количество энергии, и к окончанию этого срока вы будете двигаться со скоростью 6 км/с. Ещё через 10 минут вы удвоите скорость до 12 км/с, но на это потребуется в три раза больше энергии. Ещё через десять минут вы будете двигаться со скоростью 18 км/с, но на это потребуется в 5 раз больше энергии, чем в первые десять минут. Эта схема продолжит работать и дальше. Через год вы уже будете использовать в 100 000 раз больше энергии, чем в начале! Кроме того, скорость будет увеличиваться всё меньше и меньше.
Длины сокращаются, а время растягивается. На графике показано, как космический корабль, двигавшийся с ускорением в 1 g сто лет, может совершить путешествие почти до любой точки видимой Вселенной, и вернуться оттуда, на протяжении одной человеческой жизни. Но к моменту его возвращения на Земле пройдёт дополнительное время
Если вы хотите ускорять корабль весом в 100 кг в течение года при 1 g, вам потребуется 1000 кг материи и 1000 кг антиматерии. Через год вы будете двигаться со скоростью 80% от скорости света, но никогда её не превзойдёте. Даже если бы у вас было бесконечное количество энергии. Постоянное ускорение требует постоянного увеличения тяги, и чем быстрее вы двигаетесь, тем больше вашей энергии тратится на релятивистские эффекты. И пока мы не придумаем, как управлять деформацией пространства, скорость света останется окончательным ограничением Вселенной. Всё, что обладает массой, не сможет её достичь, а уж тем более, превзойти. Но если вы начнёте сегодня, то через год вы окажетесь там, куда ещё не добирался ни один макроскопический объект!
Итан Сигель – астрофизик, популяризатор науки, автор блога Starts With A Bang! Написал книги «За пределами галактики» [Beyond The Galaxy], и «Трекнология: наука Звёздного пути» [Treknology].
- Спросите Итана
- ускорение
- ракета
- полёты в космос
- скорость света
- Научно-популярное
- Физика
Просто о сложном | Как достичь скорости света и что быстрее него
Если мы говорим о чем-то действительно быстром, то можем сказать, что это происходит со скоростью света. На самом деле мало кто понимает, насколько это значительная величина и почему на практике ее крайне трудно достичь какому-то телу, имеющему значительную массу и размер. Сейчас мы вам это объясним.
1. Чему равна скорость света в вакууме?
Скорость света — самая большая скорость, которую что-либо может иметь в нашей Вселенной. С ней в вакууме распространяются не только электромагнитные волны видимого спектра, но и любое излучение.
Эта величина составляет точно 299 792 458 м/с. В 1975 году ее определили с точностью до одного метра, а с 1983 года сам метр в Международной системе единиц — это расстояние, которое свет проходит за 1/299 792 458 секунды. Поэтому это едва ли не единственная константа, значение которой не будет уточняться в будущем.
2. Бывают ли случаи, когда скорость света ниже?
Все вышесказанное касается лишь скорости распространения электромагнитных волн в вакууме. В среде, хотя бы частично способной рассеивать их, она будет значительно ниже. Точная величина будет зависеть от длины волны и величины преломления самой среды.
Например, в абсолютно чистой воде скорость света видимого диапазона составляет около 225 341 км/с, в стекле — 200 000 км/с, а в сахаре — лишь 192 300 км/с. В воздухе она лишь немного меньше, чем в вакууме.
3. Что такое «световой конус»?
Со скоростью света связано понятие «светового конуса». Любое взаимодействие между двумя объектами во Вселенной, включая передачу информации, возможно только с помощью частиц или волн. А они не могут двигаться быстрее света.
Поэтому ни одно событие во Вселенной не может повлиять на другие объекты за время, меньшее, чем требуется свету, чтобы преодолеть расстояние между ними. Например, событие, произошедшее на Луне, никак не может повлиять на Землю раньше, чем за секунду с четвертью.
Для Солнца эта величина уже составляет почти 8,5 минут, для Плутона — около 4,5 часа, для α Центавра — более 4 лет, а для черной дыры Стрелец А* — 27 тыс. лет. Это и называется «световым конусом».
4. Что будет, если попытаться достичь скорости света?
Ньютоновская механика подсказывает нам, что если к какому-то телу постоянно прикладывать силу — например, импульс реактивных двигателей — то оно будет ускоряться, то есть его скорость будет расти. Так что же мешает нам достичь скорости света?
На это дает ответ Теория относительности. Согласно ей, чем ближе скорость тела к световой, тем большая энергия необходима для того, чтобы увеличить ее на ту же величину для каждой единицы массы этого тела.
Для того чтобы разогнать хоть какую-то массу до скорости света, к ней надо приложить бесконечное количество энергии. Именно поэтому в природе в большинстве случаев такую скорость имеют только частицы, у которых масса отсутствует — например, фотоны.
5. Может ли что-то двигаться быстрее света?
Хотя физика и отмечает, что для любого тела скорость света является пределом, есть теории, которые предполагают существование частиц, движущихся быстрее него. Эти частицы называются тахионами — от греческого слова, означающего «быстрый».
Тахионы обладают целым рядом странных свойств: например, их масса является мнимой. То есть она выражается числом, которое является квадратным корнем из отрицательной величины.
Никаких доказательств реального существования тахионов ученые не имеют. Кроме того, в отношении тахионных частиц и полей есть сомнения, способны ли они переносить информацию и действительно ли все они движутся быстрее света. Однако саму возможность существования такой частицы никто окончательно исключить не может.
Только самые интересные новости и факты в нашем Telegram-канале!
Popular:
- Звезда, изменившая Вселенную: 100 лет со дня исторического открытия Хаббла
- 24 года полету первого космонавта Украины
- Что Perseverance может рассказать о древнем озере на Марсе
- Безмолвный часовой южного неба
- TESS обнаружил аналог Земли в зоне обитаемости красного карлика
Поделиться:
Редактор новостной ленты и автор статей
Занимаюсь популяризацией науки на украинском уже 10 лет. Имею ученую степень кандидата технических наук и раньше учил инженеров-строителей. Однако в последние годы рассказываю широкой публике о вещах, касающихся самых разных наук. А космос — моя особенная давняя любовь. В своей работе я стараюсь придерживаться принципа уважения к ученым, которые совершали открытия, и инженерам, создававшим космическую […]
Почему нельзя превысить скорость света?
Все знают, что скорость света в вакууме — это предельная величина, которую можно достигнуть, и нет ничего во Вселенной, что могло бы двигаться быстрее. Только безмассовые частицы, которые по совместительству являются переносчиками взаимодействий, такие, как фотоны, гравитоны, двигаются со скоростью света. А любое тело, имеющее массу покоя, не может достигнуть такой величины, а только приблизиться.
Почему все именно так, мало кто понимает, в ходу даже есть несколько популярных мифов, которыми объясняется недостижимость скорости света, о которых также поразмыслим.
Скорость света
Скорость света в вакууме — это предельная величина распространения электромагнитных волн, а также других фундаментальных взаимодействий; характеризует не только отдельно взятые тела, но и само пространство-время. Наиболее точное измерение скорости света показало, что она равняется 299 792 458 м/с.
Я уже писал в одной своей статье, как превысить скорость света, но там речь шла об «обходных путях», точнее только об одном, никоим образом не нарушающие фундаментальные законы, и приведены пара примеров, которые могут превысить скорость света, например, солнечный зайчик.
Мифы
Перед тем, как начать объяснение, хотелось бы отметить некоторые популярные заблуждения, которые часто можно услышать.
E = mc 2
Данная формула эквивалентности массы с энергией часто трактуется неверно. Например, нередко можно услышать, что масса тела увеличивается с увеличением его скорости, и при достижении скорости света она станет бесконечной. Да, на самом деле масса увеличивается, но это не связано с этой формулой. Она всего лишь частный случай другой формулы, из которой и следует правильное заключение. О ней мы тоже успеем поговорить.
Другой миф, связанный с этой же формулой, — это то, что при световой скорости масса превращается в энергию. Или другая ее формулировка, которую также приходилось слышать: чтоб стать энергией, нужно двигаться со скоростью света. Что, опять же, в корне неправильно.
Что-то связанное со временем
Еще одно неверное объяснение, которому я даже не смог придумать нормальное название, но которое часто можно встретить в научно-популярных статьях в сети Интернет, — это то, что время при скорости света замедлится и повернет вспять.
Тем самым объясняется недостижимость таких скоростей. Приводятся всякие аналогии, сравнения для большей убедительности. Подобные объяснения усложняются, видоизменяются, пытаясь стать правдоподобными. Но как одно следует из другого — не понятно.
Отчасти некоторые утверждения верны, например, чем ближе к скорости света, тем быстрее замедляется время. Но это, опять же, не объяснение, а следствие преобразований Лоренца, также являющееся объяснением недосягаемости скорости света.
Объяснение недостижимости скорости света
Я не смог обойти стороной многие популярные мифы и заблуждения, так как именно они сподвигли меня написать данную статью. Рассмотрим основное соотношение теории относительности для свободно движущихся тел:
где — энергия, — импульс, — масса тела.
Импульс тела в свою очередь равняется:
где — скорость.
Приведенные выше формулы описывают движение во всем интервале скоростей: .
Отметим, что, когда тело покоится, его энергия не становится равной нулю. Как видно из первой формулы, при = 0, энергия покоя принимает знаменитый вид:
А при скоростях, равных световым, приходим к выводу, что масса частицы должна быть равна нулю, и наоборот, безмассовые частицы могут существовать только при движении со скоростью света. Вы сами можете это проверить, подставив значение импульса при v = c в первое соотношение.
Для частиц, имеющих массу, первую формулу удобно записывать без импульса в следующем виде:
И выражая энергию, получим:
Анализирую эту формулу, видим следующее:
Массивное тело не может двигаться со скоростью света, ведь при этом ее энергия будет стремиться к бесконечности.
Это и будет объяснением, почему нельзя перемещаться быстрее скорости света, которое также было неоднократно подтверждено экспериментально на различных ускорителях частиц.
Послесловие
Объяснить, почему нельзя превысить скорость света, без формул не получится. Конечно, можно сказать, что при больших скоростях, близких световым, энергия обращается в бесконечность. Но это будет не полным разъяснением. Почему так происходит также необходимо объяснить, что мы и сделали.
Как превысить скорость света?
На первый взгляд, преодолеть или по крайней мере достигнуть скорости света в вакууме частицам, имеющим массу, даже очень малую, немного отличную от нуля, не получится. Так говорит специальная теория относительности: энергия (масса) частицы будет стремиться к бесконечности, а этого не может быть в действительности.
В предыдущей публикации о трудностях межзвездных перелетов были вскользь упомянуты сверхсветовые полеты. Теперь хотелось бы поподробнее написать об этом. Как в реальности достигнуть того, о чем пишут писатели-фантасты и иногда снимают в фильмах?
Что двигается быстрее скорости света?
Прежде отметим некоторые объекты, которые могут фактически превосходить скорость света. О никаких нарушениях постулатов теории относительности говорить не будем.
Солнечный зайчик
Солнечный зайчик может менять свое положение быстрее скорости света в вакууме. Но энергия и информация в данном случае не передаются в направлении движении этого светового пятна.
Представьте огромный экран, сильно удаленный от нас, и вращающийся источник с узким лучом света. Думаю, вы поняли, что при больших угловых скоростях вращения на удаленном экране возникнет пятно, которое будет перемещаться быстрее скорости света.
Рычаги
С «зайчиком» все предельно ясно. А что, если то же самое проделать с длинными рычагами? Один короткий конец вращать со скоростью, равной половине скорости света, а другой, скажем, который в 10 раз длиннее, будет двигаться в пять раз быстрее, чем свет. Но возможно ли подобное? С абсолютно жесткими предметами возможно и получилось бы, но в реальности такие не существуют.
Попробуйте провести простенький эксперимент: возьмите длинную линейку и быстро вращайте. Вы заметите, что она будет изгибаться. Так вот, с рычагом будет происходить тоже самое. Возмущения, которые передаются от одного конца к другому, будут не мгновенными.
Тахионы
Тахионы — гипотетические частицы, имеющие мнимую массу и движущиеся быстрее скорости света в вакууме. Этот термин можно часто встретить в различных фантастических произведениях. Подумаем, откуда они появились и появилось само понятие мнимой массы. Рассмотрим следующую формулу релятивистской механики, которая выводится из соотношения массы, энергии и импульса:
Энергия — всегда вещественная величина. И, как видно из формулы, скорость v не может превышать значение скорости света, так как подкоренное выражение станет отрицательным. Но, если предположить, что существуют частицы с мнимой массой, то подкоренное выражение также должно быть отрицательным, чтоб в итоге энергия была вещественной.
Так и появились тахионы. Следует отметить, что их скорость не может быть меньшей или равной скорости света, так как энергия бесконечно возрастет.
Варп-двигатель
Варп-двигатель — технология, которая позволит в будущем двигаться быстрее скорости света. Такой вид двигателя часто встречается в научной фантастике. Но существуют и вполне реальные математические модели.
Само название двигателя происходит от английского слова warp — деформировать, что подразумевает искажение самого пространства.
Если вдоль траектории движения корабля правильно деформировать пространство, то можно летать со скоростями не только в разы выше, чем световые, но и практически с неограниченной скоростью. Как это осуществить?
Перед кораблем необходимо сжимать пространство, а сзади него раздувать, что создаст пузырь, который будет охватывать звездолет. Корабль в этой области будет практически неподвижен, а перемещаться будет само искаженное пространство.
На практике это означает, что придется перераспределять окружающую темную энергию, которая обладает отрицательным давлением: позади корабля будет избыток темной энергии, а впереди, наоборот, недостаток. Но как управиться с этой энергией пока не понятно.
Гиперпространство
На самом деле, это уже из ряда фантастики, но для повышения общей эрудиции, думаю, не помешает. Гиперпространство — пространство (в фантастике) с четырьмя и более измерениями. Переместившись в него, можно перемещаться не только в другие измерения, но и в нужное нам место в нашей Вселенной на сколь угодные расстояния.
Зачем я это здесь привел? А чтобы показать, что сама идея сверхсветовых полетов находится на грани фантастики, что это все выглядит красиво только на бумаге и в умах людей. Но говорить об этом, конечно же, необходимо. Из таких несбыточных идей и появляются потрясающие решения.