У сучасну епоху люди розробили кілька дійсно швидких пристроїв. У нас є неймовірно швидкі літаки, надшвидкі винищувачі, швидкісні пасажирські залізничні експреси і так далі. Тим не менш, у всесвіті є щось, що рухається швидше всього того, що ми можемо створити - це світло.
Можливо, деякі з вас замислювалися - а як це було б подорожувати зі швидкістю світла?
І що відбувається, коли ми подорожуємо зі швидкістю світла? Коротка відповідь така: наприклад, людина, яка подорожує з такою швидкістю, відчуває уповільнення часу. Для цієї людини час буде рухатися повільніше, ніж для того, хто не рухається.
До 1900-х років світ твердо вірив у погляд Ісаака Ньютона з точки зору об'єктів і гравітації. Однак у 20 столітті Альберт Ейнштейн назавжди змінив цей світ.
Теорія відносності, висунута Ейнштейном, прояснила багато сумнівів щодо маси та енергії. Рівняння еквівалентності маси та енергії довело, що маса та енергія взаємопревертаються, а це означає, що маса може бути перетворена в енергію і навпаки.
Він припустив, що немає стандартної системи відліку. Все відносно - навіть час. Виходячи з цього, був зроблений висновок, що швидкість світла постійна і не залежить від спостерігача. Отже, якщо людина рухається зі швидкістю, рівною половині швидкості світла, в тому ж напрямку, що і саме світло, то промінь світла для неї буде виглядати так само, як і для нерухомої людини.
Що означає еквівалентність маси-енергії?
Це означає, що якщо об'єкт рухається зі швидкістю, яка становить 10% від швидкості світла, то він буде відчувати збільшення своєї маси на 0,5% від його первісної маси. З іншого боку, якщо об'єкт подорожував би зі швидкістю 90% швидкості світла, тоді його маса була б в 2 рази більше його первісної маси.
Швидкість світла «С» (мається на увазі швидкість світла у вакуумі) - це фундаментальна постійна, не залежна від вибору системи відліку. Вона належить до фундаментальних фізичних постійних, які характеризують не просто окремі тіла або поля, а властивості геометрії простору-часу в цілому. А тепер відповімо на деякі запитання.
Чи можемо ми подорожувати зі швидкістю світла?
Ні, на жаль ми не можемо подорожувати зі швидкістю світла.
Бачте, якщо об'єкт рухається зі швидкістю світла, його маса буде рости в геометричній прогресії! Подумайте про це - швидкість світла становить близько 299 792 кілометрів на секунду (1.079.252.848,8 км. на годину) і коли об'єкт рухається з такою швидкістю, його маса стає нескінченною.
Тому для пересування об'єкта потрібна нескінченна енергія, що неможливо. Ось чому жоден матеріальний об'єкт не може рухатися зі світловою швидкістю або зі швидкістю, що перевищує швидкість світла.
Скільки знадобитися часу, щоб подолати відстань в один світловий рік (світловий рік - це відстань, яку світло проходить у вакуумі за один рік, близько 10 трильйонів кілометрів).
На світловій швидкості: один годна
половині швидкості світу: два Кораблі
Breakthrough Starshot, що подорожуватимуть зі швидкістю 0,2с: ... 5 Літня
швидкості найшвидшої за всю історію людини штучного об'єкта (Геліос 2,): млрд 4.269 При
швидкості атома водню в ядрі Сонця: млрд 15.500 Літня
максимальної швидкості ракети Saturn V, яка доставила людину на Місяць: млрд 108.867 Річна
швидкості найшвидшого літака у світі: млрд 305.975 Літня
швидкості звуку: {882327 Літня
швидкості автомобіля по шосе: млрд 8.388.270 При
швидкості ходьби: ... 215.993.799 ЛетВ
темпе улитки: 83.304.201.370.000 років
Скільки часу займе подорож на відстань одного світлового року зі швидкістю в одну десяту швидкості світла?
Логічно припустити, що мандрівнику знадобитися десять років.
Однак дивні речі можуть траплятися, коли ви подорожуєте зі швидкістю, близькою до швидкості світла.
Припустимо, космонавт знаходиться на космічному кораблі, що рухається зі швидкістю в одну десяту швидкості світла, і він залишає Землю і летить на якусь гіпотетичну планету на відстані одного світлового року.
Спостерігач залишається на Землі і дивиться, як подорожує космонавт. І дійсно, з точки зору спостерігача, космонавту знадобиться десять років, щоб дістатися до цієї планети. Але оскільки мандрівник рухається з субсвітовою швидкістю, час тече повільніше для нього, ніж для спостерігача.
Тобто щоразу, коли годинник на Землі відраховує хвилину, на космічному кораблі годинник проходить трохи менше однієї хвилини.
Це означає, що з точки зору мандрівника (на космічному кораблі) знадобиться менше десяти років, щоб дістатися до пункту призначення!
Різниця в цьому випадку досить мала: вона становить близько 99,4% з десяти років. Це означає, що космічний політ виявиться приблизно на двадцять днів коротшим, ніж для спостерігача на Землі.
Існує рівняння для розрахунку уповільнення часу з урахуванням відносної швидкості об'єкта:
Δ?′= Δ?0 / √1− ?2 / ?2
0 - часовий інтервал мандрівника, який називається власним часом, - тимчасовий інтервал Землі, - швидкість мандрівника (на який посилається Земля), а? - швидкість світла.
Для повсякденних швидкостей (наприклад, швидкості літака)? мала, тому ефекти уповільнення часу незначні. Але якщо ми рухаємося зі швидкістю більше ніж 1/10 швидкості світла, ми починаємо бачити помітні ефекти.
Що якщо ми будемо рухатися майже зі швидкістю світла?
Якщо ми говоримо про швидкість, майже рівну швидкості світла, скажімо, 90% швидкості світла, то будуть досить цікаві спостереження. З одного боку, людина, яка подорожує з такою швидкістю, випробує уповільнення часу. Для цієї людини час буде йти повільніше, ніж для того, хто не рухається.
Наприклад, якщо людина подорожує в космосі з 90% швидкості світла, то для цієї людини будуть проходити тільки 10 хвилин часу, в той час як для спостерігача на Землі пройде 20 хвилин. Час буде скорочено вдвічі!
Крім того, поле зору космічного мандрівника різко зміниться. Світ постане перед ним через вікно у формі тунелю перед космічним кораблем, в якому він подорожує. Крім того, зірки попереду будуть здаватися блакитними, а зірки позаду - червоними.
Це пов'язано з тим, що світлові хвилі від зірок перед кораблем будуть збиратися разом, в результаті чого об'єкти будуть здаватися синіми, а світлові хвилі від зірок за кораблем будуть розходитися і виглядати червоними, викликаючи екстремальний ефект Доплера.
Після певної швидкості космічний мандрівник побачить тільки чорноту, тому що довжина хвилі світла, що потрапляє на його очі, буде поза видимим спектром.
Але ефект уповільнення часу посилюється, якщо рухатися все швидше і швидше. Скажімо, космічний корабель летить зі швидкістю 99,999999% від швидкості світла - тоді, з точки зору спостерігача на Землі, космонавт в основному рухається зі швидкістю світла, і йому знадобиться один рік, щоб дістатися до планети, розташованої на відстані одного світлового року.
Але з точки зору космонавта, така подорож займе тільки трохи більше години! Цей ефект називається релятивістським уповільненням часу, і він пов'язаний з багатьма іншими дивними речами, які відбуваються, коли об'єкти рухаються з релятивістськими швидкостями (тобто зі швидкостями, близькими до швидкості світла).
Ці поняття уповільнення часу і спеціальної теорії відносності особливо цікаві для роздумів. Наприклад, якщо в один чудовий день у нас розвивається швидкість, близька до швидкості світла, ми можемо рухатися «вперед» у часі щодо Землі.
Космонавт може подорожувати протягом декількох місяців або років на своєму космічному кораблі і повернутися на Землю, щоб виявити, що всі інші постаріли на десятиліття або століття!
Інша можливість полягає в тому, що ті мандрівники, які досліджують глибокі простори космосу, зможуть переміщатися на великі відстані, не зістарившись, і все завдяки уповільненню часу. Ви самі можете порахувати, як залежить протягом часу від швидкості:
Уповільнення часу
Калькулятор показує уповільнення часу для космічного мандрівника порівняно зі спостерігачем із Землі, де часовий інтервал - це час, що минув на землі, швидкість ракети - це швидкість космічного корабля і космонавта, а відносний час - це час, який минув для космонавта на космічному кораблі. Вважати можна як в одну, так і в іншу сторони.
На калькуляторі ви зможете бачити, що для того, щоб різниця в двох часових інтервалах була помітною, швидкість мандрівника (швидкість ракети) повинна бути надзвичайно високою - того ж порядку, що і швидкість світла (299792.4 км/с).
Ось чому релятивістські ефекти настільки суперечливі: ми не можемо випробувати їх у повсякденному житті і не помічаємо їх.
Звичайно, ці ефекти реальні і вимірювані. Годинник на супутниках йде трохи повільніше, ніж на поверхні Землі. Як тільки ми зможемо подорожувати зі швидкістю, досить близькою до швидкості світла - наприклад, при 0,8 С - ми також побачимо релятивістський ефект.