Про эту вашу физику

Глава 1 Скорость света

С этой главы мы решили начать ликбез для тех, кто в детстве мечтал стать ученым, но как-то не сложилось. Назло всем специалистам и кандидатам, нарушая все до единой методологии и правила хорошего научного текста, мы поговорим о скорости света, почему утверждается, что она постоянная, почему все «носятся» с этой скоростью и удивляются оной, и что вообще, черт побери, происходит.

Люди начали подозревать, что свет имеет скорость, довольно давно. Всякие там Кеплеры и прочие считали, что скорость света бесконечна, а не в меру догадливый Галилей, например, полагал, что скорость определить можно, но сложно, так как она очень большая.

В 17 веке некто Рёмер искал способ, как бы вычислить географические координаты корабля для навигации в море. В поисках стабильных ориентиров он обратился к спутникам Юпитера и их затмениям. Вот до чего доводит нужда, когда нет GPS и спутниковых карт, не так ли? И наблюдая за движением спутников, он заметил временные расхождения по затмениям, в периоды, когда Земля оказывалась ближе к Юпитеру и когда дальше — согласитесь, трудно было игнорировать подозрительную двадцатиминутную разницу. Тут-то датский астроном и предположил, что это отличная возможность посчитать световые километры в час, или что у них там в Дании использовалось за меру расстояний. Вооружившись известными числами и доступными формулами, Рёмер неточно рассчитал скорость света. Ошибся он знатно, но вывод сделал: это была очень большая величина, от которой захватывало дух.

В дальнейшем научно-технический прогресс окончательно все расставил по местам, и земляне выяснили, что скорость света равна приблизительно 300 000 километров в секунду.

Но что же такого в этом значении? Почему эта скорость оказалась в итоге так важна? Скорость моего велосипеда тоже можно подсчитать, но никто ж над ней не размышляет с заговорщическим видом о вечности и структуре мироздания.

А подвох в том, что скорость света ВСЕГДА равна 300 000 километров в секунду.

Представим бытовую ситуацию из досуга жизнерадостного гуманитария: вы с другом катаетесь на модных велосипедах, ваш друг едет чуть быстрее, а вы чуть медленнее. Допустим со скоростями 20 и 15 км/час соответственно. И если вы, двигаясь со своей скоростью, решите измерить (как-нибудь) скорость друга, то вы вычислите, что ваш друг двигается относительно вас со скоростью 5 км/час.

Простые правила сложения скоростей, надеемся, они вас не удивят — их вбивали в головы в школах и скорее всего надежно вбили. Если вы увеличите скорость до 20 км/час, то относительно вас ваш друг будет иметь скорость равную нулю.

Это логично и следует из жизненного опыта. Скорость моторной лодки, которая движется по течению также складывается из собственной скорости лодки и скорости течения реки. Старая добрая классическая механика — как же она была прекрасна [смахивают слезу, попивая смузи].

А теперь попробуем проделать тот же фокус со светом. Ваш друг внезапно аннигилировал и превратился в луч света. Вы решили не упускать его и постарались не отставать, яростно накручивая педали. Вы разогнались до скорости довольно близкой к скорости света. И чисто ради прикола, из научного, так сказать, любопытства, решили замерить скорость вашего бывшего друга. Разумеется, вы были уверены, что получите решение равное скорости света за минусом вашей собственной скорости, как в первом случае.

И вот тут вас ждет сюрприз. Фигушки, так сказать. Расчетно-опытным путем вы выяснили, что относительная скорость вашего лучевого приятеля по-прежнему 300 000 км/сек. С какой бы скоростью не двигались лично вы, независимо от направления: параллельно движению света, навстречу свету, перпендикулярно, как-нибудь возвратно-поступательно — скорость света в вакууме всегда будет равна 300 000 км/сек. Странная история!

Эту нестыковочку заметили в начале XX века пара классных ребят с фамилиями Майкельсон и Морли. В те годы все ученые искали эфир — невидимый газ, наполняющий Вселенную, по которому и распространяются электрические, магнитные волны, собственно свет, а также другие еще не открытые флюиды и тонкие астральные сущности. Между прочим, сам Менделеев на всякий случай предположил существование элемента «ньютоний», который находится до водорода и имеет нулевую, или около того, массу. А вы думали идея из Mass Effect свежа и оригинальна?

Столп науки об электромагнетизме по имени Максвелл уверял, что для волн нужна среда, а то что же это за волны такие, без среды. Морские волны распространяются по воде. Звуковые — по воздуху, а световые — по эфиру, ясен пень. Еще был Фарадей, которому идея не очень нравилась, но Фарадей баловался молниями, и его не стали слушать.

У Майкельсона и Морли руки росли откуда надо, они сказали: если эфир есть, то это легко проверить. И собрали штуковину, которую назвали интерферометром (о нем мы еще очень подробно поговорим в будущих лекциях) и стали смотреть, как ведет себя луч света в зависимости от движения планеты Земля. Ведь, двигаясь по окружности, наша планета в разные моменты времени летит то по эфирному ветру, то против эфирного ветра. А значит и пучки света в интерферометре в разное время года должны чувствовать смену сезонов, меняя скорость из-за движения эфира.

Вы, наверное, догадались, что опыт Майкельсона и Морли показал, что свет полностью игнорирует эфир, и скорость света не меняется в зависимости от направления движения планеты. С тех пор человечество разделилось на ученых и фриков. Первые выкинули идеи эфира на помойку и до открытия поля Хиггса вообще слышать ничего не хотели про «подложку Вселенной», а вторые… вторые сказали, что Майкельсон и Морли ошиблись, что ученые скрыли результаты, что опыт был не точный, погода не летная, интерферометр собран из навоза и палок и вообще это заговор Рокфеллеров, Ротшильдов или социалистов.

Общение с «эфирщиками» доставляет много радостей и удивлений. Давеча один «специалист» рассказывал нам про то, что эфир состоит из информационных мыслеобразов, приходящих из тонкой Вселенной, и конденсируется на местной материи, отчего та приобретает массу, а из этого следует…

Увы, множество опытов впоследствии и по сей день, проведенные с невероятно высокой точностью с лазерами и синхрофазотронами, подтверждают: как ни измеряй скорость света, она при любых условиях относительного движения равна своему постоянному значению.

До 1905 года никто не мог объяснить, почему скорость света не хочет быть относительной, пока не пришел Эйнштейн и не догадался, что происходит. Он любил всем говорить на своем немецком, мол, сомневайтесь во всём, и таки досомневался, негодник. Сначала он сказал, что свет — это частица и назвал ее квантом света (а позже ее переименовали в фотон). А гипотеза о происходящем со скоростью света была названа на всякий случай Специальной Теорией Относительности, а не теорией имени Эйнштейна, такой был скромный дядька. В дальнейших лекциях мы, возможно, попробуем объяснить основы теории относительности, если придумаем, как обойтись без математики, а пока достаточно знать, что эта скорость оказалась фундаментальным параметром Вселенной. Она не просто какая-то там максимальная скорость, как на спидометре вашей «ласточки», а обусловлена геометрией нашего пространства. Это вот если вы нарисуете на бумаге четыре линии, пересекающиеся под прямыми углами, вы всегда получите прямоугольник. А если вы будете рисовать четырехмерное пространство с псевдоримановой метрикой и тензорами (сами не понимаем, чего несём), то в нем скорость света будет 300 000 км/сек. Такие дела.

Однако на этом история о скорости света не заканчивается. Она, как оказалось, порадовала нас еще несколькими внезапными чудесами. Эйнштейн, пользуясь случаем, поведал миру о других странностях высокоскоростных режимов.

Дело в том, что чем больше наша скорость, тем медленнее идут наши часы. Время замедляется при увеличении скорости. Причем обоюдно: тот, кто едет на велосипеде, видит, что время замедлено у того, кто стоит и смотрит, а тот, кто стоит и смотрит, наблюдает, что время замедляется у едущего на велосипеде. Если вы думаете, что это теоретические и математические шутки, не имеющие реального подтверждения, то вы застряли в позапрошлом веке и вам пора оттуда срочно выбираться.

Реальные опыты, подтверждающие, что время зависит от того, как на него смотреть, были проведены в XX веке. Брали очень точную пару часов, показывающих одинаковое время, причем не механические часы, сделанные в Китае, а атомные сверхточные. Один экземпляр часов брали на борт реактивного самолета, а вторые часы оставались на земле. Первые часы на огромной скорости пару раз прокатили вокруг планеты. А затем сверили время. Часы из самолета отставали.

Чем ближе кто-то двигается к скорости света, тем медленнее идут его часы (сам-то он этого не замечает и считает, что его часы идут правильно, а у всех вокруг отстают, но это уже парадоксы теории относительности, мы сейчас не о них рассказываем).

Таким образом, если бы кто-нибудь с часами разогнался до скорости света, то время для него остановилось. Как говорят физики: часы на фотоне не идут.

С точки зрения фотона, если бы он мог рассказать, что видит, его история была бы грустная. Вот он родился и тут же умер. А для стороннего наблюдателя этот же самый фотон миллиард лет летел из далекой галактики до нашей планеты, где врезался в наблюдателя. Нервирует, да?

А если все-таки существует возможность превысить скорость света? — спросит читатель свободный от предрассудков. Заумная математика для таких случаев уверяет, что тогда время для гонщика пойдет в обратную сторону. Это одна из причин невозможности сверхсветовых скоростей — нарушается причинно-следственная связь, знаете ли. Вы несетесь по велосипедной дорожке под 400 000 км/с и оказываетесь в прошлом…

Но разогнаться до скорости света нам мешают более серьезные причины, чем замедление времени. Все, что имеет массу, не может лететь со скоростью света, увы. Как только мы начинаем ускоряться, нам требуется прилагать для этого ускорения всё больше и больше сил. При значениях очень близких к скорости света количество необходимого топлива, или что мы там используем для ускорения, приближается к бесконечности, и соответственно для нашего дальнейшего разгона нам требуется бесконечная энергия. В математике это выглядит как деление на ноль.

А почему же частица света летит со скоростью 300 000 км/сек? — спросит любознательный и смекалистый читатель. Потому что у нее нет собственной массы (знатоки, молчите о разницах в массе покоя, инертной массе, импульсе и прочих нюансах — мы упрощаем, а не загружаем). Фотон — это безмассовая частица. И такое бывает в этой вашей физике.

Да-да, когда в коллайдере (машина для создания черных дыр и уничтожения вселенной) разгоняют электрон, то даже его малюсенькую массу нельзя пульнуть со скоростью света.

Не можем не процитировать какой-то учебник:

Поразмыслите об этом, прежде чем строить планы по созданию машины времени.

В описании есть некоторая несущественная для нас неточность. В последнее время ученые говорят, как мы и писали выше, что увеличивается не масса, а затраты энергии на разгон. Но там подмены понятий, неудачные термины, исторические названия, а некий академик по фамилии Окунь (на самом деле хороший академик) плачет горькими слезами, пытаясь воевать с традициями и методологией преподавания в школах.

Интересный факт, что с ограниченностью скорости света не согласились многие ученые тех и последующих лет. Электрик Никола Тесла считал теорию относительности ошибочной, но пояснить свое мнение не мог потому, что, как и все мы, не осилил математику, лежащую в основе. Константин Циолковский говорил, что постоянство скорость света это философщина и религиозные байки наподобие шести дней творения. Циолковского можно было понять: он только что придумал ракету, на которой человечество отправится на край Вселенной, а ему говорят, что ракета не сможет достичь скоростей даже для полета к соседней звезде.

Не любили теорию Эйнштейна и в Третьем Рейхе. Но не потому что не понимали, а потому что дядюшка Альберт был евреем. Издавались интересные книжки с названием «100 авторов против Эйнштейна», где авторитетные специалисты пытались опровергнуть положения теории.

Скорость света — это удивительная физическая величина. Если, например, время умножить на скорость света (получив «метрические» значения), то получится та самая четвертая ось четырехмерного пространства, которым оперирует вся теория относительности: длина, ширина, высота, время. Это крайне зубодробительная теория, но выводы из нее шикарны и до сих пор поражают неокрепшие умы юных физиков.

Каждый второй комментатор лекций про скорость света обязательно блеснет знаниями о том, что скорость света бывает медленной. Да, всё верно, но это происходит, когда свет распространяется в какой-то среде, например, в воде — на 25 % медленнее, чем в вакууме. В этом случае свет по цепочке поглощается атомами вещества, через которое летит, и испускается дальше — на всё это тратится некоторое время, отчего мы и видим, как все замедленно и банально.

Отметим, что современная физика не отрицает возможность превышения скорости света. Но все эти предположения касаются не преодоления скорости «в лоб». Речь идет о перемещении в пространстве за время меньшее, чем его преодолеет свет. А это может быть в результате всякого рода неоткрытых или неразгаданных взаимодействий (типа квантовой телепортации), или за счет искривления пространства (типа гипотетических кротовых нор), или существования частиц, у которых время идет в обратном направлении (типа теоретических тахионов).

Или вот, например, каждый, небось, слышал, что наша Вселенная расширяется со сверхсветовой скоростью. Но тут нет парадокса. Теория ограничивает скорость только материи, а расширяющееся пространство неизвестно чем является, и вообще там свои гипотезы: темные энергии, инфляции какие-то.

Кроме того, есть несколько умозрительных опытов, связанных с иллюзией превышения скорости света, типа световых ножниц и угловых скоростей. Имейте в виду — сенсаций там нет, а те, кто упоминают эти опыты, либо не понимают, в чем дело, либо собираются вас потроллить.

Поэтому, когда вы в очередной раз читаете, что кто-то открыл что-то, превышающее скорость света, и теперь продает на основе этой технологии торсионные препараты от несварения желудка, вспомните нашу статью.

На этом интересном месте глава заканчивается. Мы только приоткрыли дверь в волшебный мир физики, перед чудесами которой меркнут фокусы, навроде хождения по воде, превращения воды в вино и поиска пропавших людей по фотографии. В дальнейших лекциях мы расскажем про гравитацию, квантовую механику, неопределенность Гейзенберга, из чего сделан вакуум и зачем нам тёмная материя.