Можно ли создать ударную волну света, преодолев световой барьер?
Можно ли создать ударную волну света, преодолев световой барьер, как сверхзвуковые самолеты преодолевают звуковой барьер? И да и нет. Это зависит от материала, в котором свет находится.
Чтобы объекты не путешествовали в прошлое, и тем самым сохранить локальное сохранение массы-энергии, и тем самым предотвратить взрыв Вселенной в одно мгновение, ничто не может двигаться быстрее скорости света в вакууме.
Сверхзвуковые самолеты преодолевают звуковой барьер, летая быстрее скорости звука. Это возможно, потому что звук — это всего лишь бегущая вибрация молекул воздуха. Когда самолеты приближаются к скорости звука, их звуковые волны накапливаются в стене давления воздуха. Достаточно мощные самолеты могут пробить эту стену давления воздуха и создать ударную волну, которая будет тянуться за ними. Когда эта звуковая ударная волна проходит мимо наземных наблюдателей, ее слышно как звуковой удар.
По аналогии, если бы космический корабль двигался со скоростью, превышающей скорость света, он создал бы ударную волну, полностью состоящую из света. Проблема в том, что ничто не может двигаться быстрее скорости света в вакууме, поэтому космический корабль никогда не сможет двигаться достаточно быстро, чтобы преодолеть световой барьер.
Это вопрос не техники, а фундаментальной физики. По мере того, как объект приближается к скорости света, ему требуется все больше энергии для ускорения. Космическому кораблю потребовалось бы буквально бесконечное количество энергии, чтобы точно достичь скорости света в вакууме. Этот факт ежедневно проверяется в ускорителях частиц.
Используя электроэнергию, потребляемую небольшим городом, ускорители частиц направляют эту энергию на получение горстки крошечных частиц, таких как протоны и электроны, движущихся в вакууме со скоростью, близкой к скорости света. Каждый год ускорители частиц совершенствуются, чтобы достигать все более высоких скоростей.
Например, в одно десятилетие рекордом было то, что частицы двигались со скоростью 99,99% скорости света в вакууме, а затем в следующем десятилетии усовершенствованная машина разогнала протоны до 99,999% скорости света в вакууме, а в следующем десятилетии был установлен рекорд в 99,9999% (эти цифры приведены только для иллюстрации и не являются точными).
Текущий рекорд принадлежит БАК, который разгоняет протоны до 99,9999991 % скорости света в вакууме. Космический корабль в космосе никогда не сможет достичь скорости света в вакууме и, следовательно, не сможет преодолеть световой барьер и создать световую ударную волну.
Два странных, но хорошо известных эффекта движения со скоростями, которые составляют значительную часть скорости света, — это замедление времени и сокращение длины.
Замедление времени говорит нам о том, что время, которое испытывает движущийся наблюдатель, идет медленнее, чем время, которое испытывает неподвижный наблюдатель. Сокращение длины говорит нам о том, что неподвижный наблюдатель увидит, что движущийся объект короче по длине, чем если бы он находился в состоянии покоя.
Для протона, движущегося со скоростью, близкой к скорости света, время казалось бы текущим нормально. Протонное время покажется странным только наблюдателю за пределами БАК, для которого 1 секунда протона будет длиться около 2 часов. Что может показаться странным с точки зрения протона, так это длина. Для протона, летящего по кольцу БАК, окружность ускорителя в 26,7 км кажется длиной всего около 4-х метров.
Все, что обсуждалось до сих пор, относится только к вакууму. Ситуация становится интересной, когда свет не в вакууме. При движении через такой материал, как вода или стекло, скорость света в этом материале будет значительно меньше, чем скорость света в вакууме.
Объект может двигаться быстрее скорости света в материале, не нарушая никаких фундаментальных законов. И, как и следовало ожидать, объект, движущийся через материал со скоростью, превышающей скорость света в этом материале, действительно создает световую ударную волну. Эта ударная волна света известна как черенковское излучение.
Чтобы эффект был заметен невооруженным глазом, объект должен очень быстро перемещаться через довольно плотный материал. Например, ядерные реакторы выбрасывают электроны с очень высокой скоростью как побочные продукты ядерной реакции. Эти высокоскоростные электроны движутся через охлаждающую воду быстрее, чем скорость света в воде, и поэтому создают ударные волны света. Это черенковское излучение наблюдается как голубое свечение.
Хотя с точки зрения света воздух достаточно близок к вакууму, это не совсем вакуум. Скорость света в воздухе немного меньше скорости света в вакууме, поэтому объекты могут на самом деле преодолеть световой барьер в воздухе, не двигаясь быстрее фундаментального предела скорости света в вакууме.
Получить черенковское излучение в воздухе гораздо труднее, чем в воде, потому что требуются более высокие скорости. Но это иногда случается. Сверхновые выбрасывают частицы с удивительно высокой скоростью (но всегда меньшей, чем скорость света в вакууме). Когда эти частицы попадают в атмосферу Земли, они называются космическими лучами. Некоторые из этих космических лучей и их побочных продуктов действительно достаточно быстры, чтобы создавать световые ударные волны, когда они путешествуют по воздуху.
Хотя атмосферное черенковское излучение космических лучей слишком слабое, чтобы его можно было увидеть невооруженным глазом, оно регистрируется камерами и служит важным инструментом для ученых, изучающих космические лучи.