При скорости света уравнения Эйнштейна перестают работать, и ничего не имеет смысла

Специальная теория относительности Эйнштейна предсказывает некоторые необычные явления, не менее странные, чем идея о том, что движущиеся часы идут медленнее, чем неподвижные. По мере того, как часы приближаются к скорости света, они идут все медленнее, все ближе и ближе к тому, чтобы вообще не идти.

Таким образом, возникает интересный вопрос: поскольку быстро движущиеся объекты ощущают время медленнее, а скорость света является максимальным пределом скорости, «ощущает» ли свет время?

На первый взгляд идея о том, что свет не испытывает времени, кажется довольно глупой. Ведь мы видим, как свет проходит от Солнца к Земле. Мы даже можем определить, сколько времени это займет — около восьми минут. Итак, кажется довольно очевидным, что свет испытывает время. Но это время, которое мы переживаем. Что же испытывает свет?

Ответить на этот вопрос немного сложно. Физика — это экспериментальная наука, и окончательный способ ответить на вопросы — провести эксперименты. Можно разработать эксперимент, в котором часы были бы прикреплены к фотону. Единственная проблема с этой идеей в том, что она совершенно невозможна.

В конце концов, только объекты без массы (например, фотоны света) могут двигаться со скоростью света, а объекты с массой должны двигаться медленнее. Часы, безусловно, имеют массу, поэтому никакие часы не могут двигаться вместе со светом, чтобы позволить провести эксперимент.

Сила ограничений

Поскольку провести окончательный эксперимент нельзя, можно обратиться к теоретическим соображениям. Что говорят нам уравнения Эйнштейна?

Здесь история становится немного сложнее. Уравнения Эйнштейна, связанные со временем, применимы к объектам, движущимся со скоростью вплоть до скорости света, но не включая ее. Со скоростью света они разрушаются. Таким образом, эти уравнения неприменимы к самому свету — только к объектам, движущимся медленнее скорости света.

Если мы не можем провести эксперимент и уравнения неприменимы для скорости света, получается тупик? Ну, в какой-то степени да. С другой стороны, хотя уравнения Эйнштейна не применимы для 100% скорости света, ничто не мешает задать тот же вопрос для объектов, движущихся со скоростью 99,999999% скорости света. И если вы хотите добавить туда еще несколько девяток — уравнения работают нормально.

Итак, воспользуемся понятием пределов, применяемым в математическом анализе. Если вы не можете решить задачу точно для определенного значения какого-либо параметра, вы можете использовать другие значения этого параметра и спросить, что происходит, когда вы приближаетесь к нужному значению. Очень часто тренд, который вы видите, говорит вам, что произойдет, когда вы доберетесь до запрещенного значения.

Можно использовать этот подход здесь. Что произойдет, если взять объект с массой и двигать его все быстрее и быстрее? Как этот объект переживает время?

Приближаясь к скорости света

Здесь мы находимся на гораздо более прочной основе. Ученые проводят этот эксперимент уже несколько десятков лет. Мы можем взять субатомные частицы и разогнать их до очень высоких скоростей — скоростей, очень близких к скорости света.

Кроме того, у этих частиц есть свои часы. Мы можем использовать эти крошечные часы, чтобы исследовать, что происходит, когда мы заставляем их двигаться все быстрее и быстрее.

Как это работает? В качестве примера рассмотрим субатомную частицу, называемую пионом. Пионы похожи на маломассивные протоны. Они также нестабильны, распадаясь за 28 × 10 ^-9 секунд. Эта жизнь была измерена с невероятной точностью.

Если бы у нас был пион, и мы гипотетически разогнали его до скорости света, которая составляет примерно 300 000 км/сек), он должен пройти чуть более 8 метров, прежде чем распадется. Но это во Вселенной, в которой все часы идут одинаково, то есть неподвижные человеческие часы и движущиеся «пионные часы» идут с одинаковой скоростью. Однако они этого не делают.

Когда ученые создают пионы, движущиеся со скоростью 99,99% скорости света, они обнаруживают, что перед распадом они проходят около 600 метров. Это может произойти только в том случае, если быстро движущиеся пионы переживают время медленнее, чем неподвижные.

Кстати, 99,99% скорости света — это не рекорд для ускорителей частиц. Ученые могут разгонять субатомные частицы до гораздо более высоких скоростей. Рекорд был достигнут на ускорителе частиц, где электроны разгонялись до головокружительной скорости 99,9999999987% от скорости света.

В этой невероятной среде уравнения Эйнштейна по-прежнему работали идеально. При таких скоростях гипотетические часы, сопровождающие электроны, будут идти чуть более чем в 200 000 раз медленнее, чем часы рядом с неподвижным электроном.

Учитывая эффективность уравнений Эйнштейна и тот факт, что единственным ограничением скорости электрона является скорость света, мы можем видеть, что чем ближе мы ускоряем часы к скорости света, тем медленнее они идут. Если бы мы могли достичь скорости света, часы остановились бы.

Ни времени, ни пространства

Так что это значит? С точки зрения фотона, он может пройти через всю Вселенную, вообще не ощущая времени. Миллиарды и миллиарды световых лет могут пролететь гораздо быстрее, чем за мгновение ока.

Но есть еще кое-что. Хотя предметом этой статьи является течение времени, переживаемое фотоном света, теория относительности также говорит нам о том, как ощущается пространство.

По мере того, как объекты движутся быстрее, Вселенная сжимается в направлении, в котором они движутся. Используя те же методы, описанные здесь, мы также можем увидеть, что для фотона Вселенная сжимается до нулевого размера. Исчезают миллиарды световых лет, а это означает, что с точки зрения фотона он одновременно существует везде на своем пути.

Теория относительности, безусловно, неинтуитивна, и она делает очень странные предсказания. Однако, пожалуй, самым странным из всех является то, что свет не испытывает ни времени, ни пространства, существуя во всех местах и ​​во все времена одновременно. Этот безумно звучащий результат напоминает нам, что законы, управляющие Вселенной, странны и прекрасны, и заставляет нас о многом задуматься.