Что быстрее скорости света
Материя и информация не могут локально двигаться через вакуум быстрее света. Но пятно, фаза волны и далёкая галактика иногда дают сверхсветовое число без передачи сигнала.
Слово «локально» здесь означает «мимо наблюдателя в одном небольшом участке пространства». Именно для такого движения действует предел c. У расширяющейся Вселенной и движущегося пятна измеряется уже не то же самое.
В статье вы узнаете:
c - предел для причины, сигнала и вещества
В вакууме свет распространяется со скоростью 299 792 458 метров в секунду. Это значение не приблизительное: оно закреплено точно, и через него сегодня определяется метр. [Международное бюро мер и весов]
Физики обозначают эту скорость буквой c. В теории относительности c является не только «скоростью света». Это максимальная скорость, с которой одно событие может повлиять на другое рядом с ним.
Если вы нажали кнопку на Земле, управляемая лампа на Марсе не может узнать об этом мгновенно. Радиосигнал, лазерный луч и любая другая посылка с информацией доберутся туда не быстрее c.
В стекле или воде свет идёт медленнее, чем c. Материал задерживает распространение волны, но не меняет общий предел в вакууме. Поэтому фраза «быстрее света в воде» ещё не означает «быстрее c».
Конвертер скорости света покажет одно и то же c в километрах в секунду, километрах в час и других единицах.
Каждый следующий разгон требует всё больше энергии
Камень, ракета и электрон имеют массу. Их можно разогнать до скорости, очень близкой к c, но нельзя довести до самой c конечным запасом энергии.
На малых скоростях прибавка энергии даёт заметную прибавку скорости. Ближе к c картина меняется: энергии нужно всё больше, а скорость растёт всё меньше. В точке c потребовалась бы бесконечная энергия.
Иногда это объясняют словами «масса тела становится бесконечной». Такое школьное сокращение путает. Удобнее говорить так: масса покоя тела остаётся той же, а его энергия и импульс растут без границы при приближении к c.
У света другой случай. Фотон не имеет массы покоя и в вакууме всегда движется со скоростью c. Его нельзя остановить, а затем разогнать как мяч.
Конвертер массы переводит килограммы, граммы и другие единицы, но сам по себе не рассчитывает релятивистскую энергию: масса и скорость являются разными величинами.
Пятно перескакивает, но ничего не летит вдоль стены
Представьте лазер, который быстро поворачивают и ведут лучом по очень далёкой стене. Пятно может перейти из точки A в точку B так быстро, что расстояние между точками, делённое на время, окажется больше c.
Но пятно не является предметом. Сначала один поток фотонов летит от лазера к A, затем другой поток - к B. Из A в B по стене не бежит частица и не передаётся сообщение.
Тень работает похожим образом. Граница тени может скользить по далёкой поверхности с любой расчётной скоростью. Каждый участок поверхности просто отдельно перестаёт получать свет.
Чтобы отправить сообщение из A в B, пришлось бы заставить состояние A повлиять на B. Вот такое влияние снова ограничено скоростью c.
Проверка простая: спросите, что именно прошло весь путь между двумя точками. Если ответ «ничего», сверхсветовое число не нарушает предел передачи сигнала.
Гребень волны не всегда несёт сообщение
У волны можно измерять несколько скоростей. Фазовая скорость показывает, как движется выбранный гребень повторяющегося рисунка. В некоторых средах и диапазонах она может быть больше c.
Сообщение устроено не как бесконечно повторяющаяся ровная волна. Нужно изменить сигнал: начать импульс, закончить его, сделать паузу или передать новый бит. Движение такого изменения связывают с групповой и сигнальной скоростью.
Сверхсветовая фазовая скорость не позволяет гребню заранее рассказать, как отправитель изменил сообщение. Причина не обгоняет c.
Есть и другой известный эффект: заряженная частица может двигаться в воде быстрее света в воде. Тогда появляется голубое черенковское свечение. Частица всё равно движется медленнее c - скорости света в вакууме.
Поэтому вопрос «что быстрее света?» всегда требует уточнения: света где, какой скорости волны и переносится ли при этом информация.
Далёкие галактики разделяет растущее пространство
Вселенная расширяется: с большим временем расстояния между далёкими несвязанными галактиками увеличиваются. Чем дальше галактика, тем быстрее обычно растёт расстояние до неё. Это описывает закон Хаббла. [NASA, расширение Вселенной]
Для достаточно далёких галактик скорость увеличения расстояния может быть больше c. Но галактика не проносится мимо местного наблюдателя быстрее света. Растёт само расстояние между очень удалёнными областями пространства.
Такое число не даёт сверхсветовой ракеты и не позволяет мгновенно обменяться сообщениями. В каждой небольшой области луч света по-прежнему проходит рядом с наблюдателем со скоростью c.
Расширение заметно на огромных расстояниях. Оно не растягивает человека, дом или Солнечную систему: связанные системы удерживают электромагнитные силы и гравитация.
Чтобы почувствовать обычный космический масштаб скоростей, можно рассчитать первую космическую скорость. Для Земли она составляет около 7,9 км/с - быстро по человеческим меркам, но примерно в 38 тысяч раз медленнее c.
Запутанность даёт связь результатов, но не телеграф
У запутанных квантовых частиц результаты измерений оказываются связанными, даже если частицы далеко друг от друга. Эта связь выглядит мгновенной, но выбрать нужный результат измерения нельзя: он случаен.
Чтобы два наблюдателя заметили совпадение и сравнили записи, им всё равно нужен обычный канал связи. Радио, свет или провод передадут данные не быстрее c. Поэтому квантовая запутанность не превращается в мгновенный телеграф.
Гипотетические тахионы и «варп-двигатели» обсуждаются в теориях и фантастике, но подтверждённых частиц или рабочего способа передавать информацию быстрее c нет.
Предел c влияет и на течение времени. Модель парадокса близнецов показывает, как меняется разница возрастов при околосветовой скорости, не позволяя кораблю пересечь сам предел.
Главный вывод. Быстрее света могут получаться скорость пятна, фазы волны или роста космического расстояния. Ни один из этих примеров не переносит вещество, сообщение или причину локально быстрее c.
Есть что добавить?
Напишите своё мнение, комментарий или предложение.