Скорость света как развить: Что произойдет при путешествии со скоростью света — Naked Science

Что мешает людям летать в космосе со скоростью света

• Адам Хадхази
• BBC Future

31 августа 2015

Подпишитесь на нашу рассылку ”Контекст”: она поможет вам разобраться в событиях.

Автор фото, Thinkstock

Нынешний рекорд скорости в космосе держится уже 46 лет. Корреспондент BBC Future задался вопросом, когда же он будет побит.

Мы, люди, одержимы скоростью. Так, только за последние несколько месяцев стало известно о том, что студенты в Германии поставили рекорд скорости для электромобиля, а ВВС США планируют так усовершенствовать гиперзвуковые самолеты, чтобы те развивали скорость в пять раз превышающую скорость звука, т.е. свыше 6100 км/ч.

У таких самолетов не будет экипажа, но не потому, что люди не могут передвигаться с такой высокой скоростью. На самом деле люди уже перемещались со скоростью, которая в несколько раз выше скорости звука.

Однако существует ли предел, преодолев который наши стремительно несущиеся тела уже не смогут выдерживать перегрузки?

Нынешний рекорд скорости поровну принадлежит трем астронавтам, которые участвовали в космической миссии “Аполлон 10”, – Тому Стаффорду, Джону Янгу и Юджину Сернану.

В 1969 году, когда астронавты облетели вокруг Луны и возвращались обратно, капсула в которой они находились, развила скорость, которая на Земле равнялась бы 39,897 км/час.

“Я думаю, что сто лет назад мы вряд ли могли себе представить, что человек сможет перемещаться в космосе со скоростью почти в 40 тысяч километров в час”, – говорит Джим Брей из аэрокосмического концерна Lockheed Martin.

(Другие статьи сайта BBC Future на русском языке)

Брей – директор проекта обитаемого модуля для перспективного корабля “Орион” (Orion), который разрабатывается Космическим агентством США НАСА.

По замыслу разработчиков, космический корабль “Орион” – многоцелевой и частично многоразовый – должен выводить астронавтов на низкую орбиту Земли. Очень может быть, что с его помощью удастся побить рекорд скорости, установленный для человека 46 лет назад.

Новая сверхтяжелая ракета, входящая в Систему космических пусков (Space Launch System), должна, согласно плану, совершить свой первый пилотируемый полет в 2021 году. Это будет облет астероида, находящегося на окололунной орбите.

Пропустить Подкаст и продолжить чтение.

Подкаст

Что это было?

Мы быстро, просто и понятно объясняем, что случилось, почему это важно и что будет дальше.

эпизоды

Конец истории Подкаст

Затем должны последовать многомесячные экспедиции к Марсу. Сейчас, по мысли конструкторов, обычная максимальная скорость “Ориона” должна составлять примерно 32 тысяч км/час. Однако скорость, которую развил “Аполлон 10”, можно будет превзойти даже при сохранении базовой конфигурации корабля “Орион”.

“Orion предназначен для полетов к различным целям в течение всего своего срока эксплуатации, – говорит Брей. – Его скорость может оказаться значительно выше той, что мы сейчас планируем”.

Но даже “Орион” не будет представлять пик скоростного потенциала человека. “По сути дела, не существует другого предела скорости, с какой мы можем перемещаться, кроме скорости света”, – говорит Брей.

Скорость света один миллиард км/час. Есть ли надежда, что нам удастся преодолеть разрыв между 40 тысячами км/час и этими величинами?

Удивительным образом скорость как векторная величина, обозначающая быстроту перемещения и направление движения, не является для людей проблемой в физическом смысле, пока она относительно постоянна и направлена в одну сторону.

Следовательно, люди – теоретически – могут перемещаться в пространстве лишь чуть медленнее “скоростного предела вселенной”, т.е. скорости света.

Автор фото, NASA

Подпись к фото,

Как будет ощущать себя человек в корабле, летящем с околосветовой скоростью?

Но даже если допустить, что мы преодолеем значительные технологические препятствия, связанные с созданием скоростных космических кораблей, наши хрупкие, состоящие в основном из воды тела столкнутся с новыми опасностями, сопряженными с эффектами высокой скорости.

Могут возникнуть и пока только воображаемые опасности, если люди смогут передвигаться быстрее скорости света благодаря использованию лазеек в современной физике или с помощью открытий, разрывающих шаблон.

Как выдержать перегрузки

Впрочем, если мы намерены передвигаться со скоростью свыше 40 тысяч км/час, нам придется достигать ее, а затем замедляться, не спеша и сохраняя терпение.

Быстрое ускорение и столь же быстрое замедление таят в себе смертельную опасность для организма человека. Об этом свидетельствует тяжесть телесных травм, возникающих в результате автомобильных катастроф, при которых скорость падает с нескольких десятков километров в час до нуля.

В чем причина этого? В том свойстве Вселенной, которое носит название инерции или способности физического тела, обладающего массой, противостоять изменению его состояния покоя или движения при отсутствии или компенсации внешних воздействий.

Эта идея сформулирована в первом законе Ньютона, который гласит: “Всякое тело продолжает удерживаться в своем состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения, пока и поскольку оно не понуждается приложенными силами изменять это состояние”.

“Состояние покоя и движение с постоянной скоростью – это нормально для человеческого организма, – объясняет Брей. – Нам скорее следует беспокоиться о состоянии человека в момент ускорения”.

Около века назад создание прочных самолетов, которые могли маневрировать на скорости, привело к тому, что пилоты стали говорить о странных симптомах, вызываемых изменениями скорости и направления полета. Эти симптомы включали в себя временную потерю зрения и ощущение либо тяжести, либо невесомости.

Причина заключается в перегрузках, измеряемых в единицах G, которые представляют собой отношение линейного ускорения к ускорению свободного падения на поверхности Земли под воздействием притяжения или гравитации. Эти единицы отражают воздействие ускорения свободного падения на массу, например, человеческого тела.

Перегрузка в 1 G равна весу тела, которое находится в поле тяжести Земли и притягивается к центру планеты со скоростью 9,8 м/сек (на уровне моря).

Перегрузки, которые человек испытывает вертикально с головы до пят или наоборот, являются поистине плохой новостью для пилотов и пассажиров.

При отрицательных перегрузках, т.е. замедлении, кровь приливает от пальцев на ногах к голове, возникает чувство перенасыщения, как при стойке на руках.

Автор фото, SPL

Подпись к фото,

Для того чтобы понять, сколько G смогут выдержать астронавты, их тренируют в центрифуге

“Красная пелена” (чувство, которое испытывает человек, когда кровь приливает к голове) наступает, когда распухшие от крови, полупрозрачные нижние веки поднимаются и закрывают зрачки глаз.

И, наоборот, при ускорении или положительных перегрузках кровь отливает от головы к ногам, глаза и мозг начинают испытывать недостаток кислорода, поскольку кровь скапливается в нижних конечностях.

Сначала зрение туманится, т.е. происходит потеря цветного зрения и накатывает, что называется, “серая пелена”, потом наступает полная потеря зрения или “черная пелена”, но человек остается в сознании.

Чрезмерные перегрузки ведут к полной потере сознания. Это состояние называют обмороком, вызванным перегрузкой. Многие пилоты погибли из-за того, что на их глаза опускалась “черная пелена” – и они разбивались.

Среднестатистический человек может вынести перегрузку примерно в пять G, прежде чем потеряет сознание.

Пилоты, одетые в специальные противоперегрузочные комбинезоны и обученные особым образом напрягать и расслаблять мышцы торса для того, чтобы кровь не отливала от головы, способны управлять самолетом при перегрузках примерно в девять G.

“На протяжении коротких периодов времени человеческое тело может переносить гораздо более сильные перегрузки, чем девять G, – говорит Джефф Свентек, исполнительный директор Ассоциации аэрокосмической медицины, расположенной в городе Александрия, штат Вирджиния. – Но выдерживать высокие перегрузки на протяжении длительного периода времени способны очень немногие”.

Мы, люди, в состоянии переносить огромные перегрузки без тяжких травм, правда, только в течение нескольких мгновений.

Рекорд кратковременной выносливости поставил капитан ВВС США Эли Бидинг-младший на авиабазе Холломэн в штате Нью-Мексико. В 1958 году он при торможении на специальных санях с ракетным двигателем после разгона до 55 км/ч за 0.1 секунду испытал перегрузку в 82.3 G.

Этот результат зафиксировал акселерометр, закрепленный у него на груди. На глаза Бидинга также упала “черная пелена”, но он отделался только синяками во время этой выдающейся демонстрации выносливости человеческого организма. Правда, после заезда он провел три дня в госпитале.

А теперь в космос

Астронавты, в зависимости от средства передвижения, также испытывали довольно высокие перегрузки – от трех до пяти G – во время взлетов и при возвращении в плотные слои атмосферы соответственно.

Эти перегрузки переносятся сравнительно легко, благодаря разумной идее пристегивать космических путешественников к креслам в положении лежа лицом по направлению полета.

По достижении стабильной крейсерской скорости в 26 000 км/ч на орбите астронавты ощущают скорость не больше, чем пассажиры коммерческих авиарейсов.

Если перегрузки не будут представлять собой проблему для длительных экспедиций на кораблях “Орион”, то с мелкими космическими камнями – микрометеоритами – все сложнее.

Автор фото, NASA

Подпись к фото,

Для защиты от микрометеоритов “Ориону” понадобится своего рода космическая броня

Эти частицы размером с рисовое зернышко могут развивать впечатляющие и при этом разрушительные скорости до 300 тысяч км/час. Для обеспечения целостности корабля и безопасности его экипажа “Орион” оснащен внешним защитным слоем, толщина которого варьируется от 18 до 30 см.

Кроме того, предусмотрены дополнительные экранирующие щиты, а также используется хитроумное размещение оборудования внутри корабля.

“Чтобы не лишиться полетных систем, жизненно важных для всего космического корабля, мы должны точно рассчитывать углы подлета микрометеоритов”, – говорит Джим Брей.

Будьте уверены: микрометеориты – не единственная помеха для космических экспедиций, во время которых высокие скорости полета человека в безвоздушном пространстве будут играть все более важную роль.

В ходе экспедиции к Марсу придется решать и другие практические задачи, например, по снабжению экипажа продовольствием и противодействию повышенной опасности раковых заболеваний из-за воздействия на человеческий организм космической радиации.

Сокращение времени в пути снизит остроту таких проблем, поэтому быстрота перемещения будет становиться все более желаемой.

Космические полеты следующего поколения

Эта потребность в скорости воздвигнет новые препятствия на пути космических путешественников.

Новые корабли НАСА, которые угрожают побить рекорд скорости “Аполлона 10”, по-прежнему будут полагаться на испытанные временем химические системы ракетных двигателей, используемые со времен первых космических полетов. Но эти системы обладают жесткими ограничениями скорости по причине высвобождения малых величин энергии на единицу топлива.

Поэтому, чтобы существенно увеличить скорость полета для людей, отправляющихся на Марс и далее, необходимы, как признают ученые, совершенно новые подходы.

“Те системы, которыми мы располагаем сегодня, вполне в состоянии доставить нас туда, – говорит Брей, – однако все мы хотели бы стать свидетелями революции в двигателях”.

Эрик Дэвис, ведущий физик-исследователь в Институте перспективных исследований в Остине, штат Техас, и участник программы НАСА по прорывным разработкам в физике движения, шестилетнего исследовательского проекта, завершившегося в 2002 году, выделил три наиболее перспективных средства, с точки зрения традиционной физики, способных помочь человечеству достичь скоростей, разумно достаточных для межпланетных путешествий.

Если коротко, речь идет о явлениях выделения энергии при расщеплении вещества, термоядерном синтезе и аннигиляции антиматерии.

Первый метод заключается в делении атомов и применяется в коммерческих ядерных реакторах.

Второй, термоядерный синтез, заключается в создании более тяжелых атомов из простых атомов – такого рода реакции питают энергией Солнце. Это технология, которая завораживает, но не дается в руки; до ее обретения “всегда остается еще 50 лет” – и так будет всегда, как гласит старый девиз этой отрасли.

“Это весьма передовые технологии, – говорит Дэвис, – но они основаны на традиционной физике и прочно утвердились еще на заре Атомного века”. По оптимистическим оценкам, двигательные системы, основанные на концепциях деления атомов и термоядерном синтезе, в теории, способны разогнать корабль до 10% скорости света, т.е. до весьма достойных 100 миллионов км/час.

Автор фото, US Air Force

Подпись к фото,

Летать со сверхзвуковой скоростью – уже не проблема для человека. Другое дело – скорость света, или хотя бы близко к ней…

Наиболее предпочтительный, хотя и труднодостижимый источник энергии для быстрого космического корабля – это антиматерия, двойник и антипод обычной материи.

Когда два вида материи приходят в соприкосновение, они уничтожают друг друга, в результате чего выделяется чистая энергия.

Технологии, позволяющие вырабатывать и хранить – пока крайне незначительные – количества антиматерии, существуют уже сегодня.

В то же время производство антивещества в полезных количествах потребует новых специальных мощностей следующего поколения, а инженерной мысли придется вступить в конкурентную гонку по созданию соответствующего космического корабля.

Но, как говорит Дэвис, немало отличных идей уже прорабатывается на чертежных досках.

Космические корабли, приводимые в движение энергией антиматерии, смогут перемещаться с ускорением в течение нескольких месяцев и даже лет и достигать более существенных процентов от скорости света.

При этом перегрузки на борту будут оставаться приемлемыми для обитателей кораблей.

Вместе с тем, такие фантастические новые скорости будут таить в себе и иные опасности для организма человека.

Энергетический град

На скорости в несколько сот миллионов километров в час любая пылинка в космосе, от распыленных атомов водорода до микрометеоритов, неизбежно становится пулей, обладающей высокой энергией и способной прошить корпус корабля насквозь.

“Когда вы передвигаетесь с очень высокой скоростью, это означает, что частицы, летящие вам навстречу, движутся с теми же скоростями”, – говорит Артур Эдельстайн.

Вместе с покойным отцом, Уильямом Эдельстайном, профессором радиологии в Медицинской школе Университета имени Джона Хопкинса, он работал над научным трудом, в котором рассматривались последствия воздействия атомов космического водорода (на людей и технику) во время сверхбыстрых космических путешествий в космосе.

Хотя его содержание не превышает одного атома на кубический сантиметр, рассеянный в космосе водород может приобрести свойства интенсивной радиационной бомбардировки.

Водород начнет разлагаться на субатомные частицы, которые будут проникать внутрь корабля и подвергать воздействию радиации как экипаж, так и оборудование.

На скорости, равной 95% скорости света, воздействие такой радиации будет означать почти мгновенную смерть.

Звездолет нагреется до температур плавления, перед которыми не устоит ни один мыслимый материал, а вода, содержащаяся в организме членов экипажа, немедленно закипит.

“Это все крайне неприятные проблемы”, – замечает Эдельстайн с мрачным юмором.

Он и его отец приблизительно подсчитали, что для создания некоей гипотетической системы магнитной защиты, способной оградить корабль и находящихся в нем людей от смертоносного водородного дождя, звездолет может перемещаться со скоростью, не превышающей половины скорости света. Тогда люди на борту имеют шанс выжить.

Марк Миллис, физик, занимающийся проблемами поступательного движения, и бывший руководитель программы НАСА по прорывным разработкам в физике движения, предупреждает, что этот потенциальный предел скорости для полетов в космосе остается пока проблемой отдаленного будущего.

“На основании физических знаний, накопленных к настоящему времени, можно сказать, что развить скорость свыше 10% от скорости света будет крайне трудно, – говорит Миллис. – Опасность нам пока не угрожает. Простая аналогия: зачем переживать, что мы можем утонуть, если мы еще даже не вошли в воду”.

Быстрее света?

Если допустить, что мы, так сказать, научились плавать, сможем ли мы тогда освоить скольжение по космическому времени – если развивать дальше эту аналогию – и летать со сверхсветовой скоростью?

Гипотеза о врожденной способности к выживанию в сверхсветовой среде хотя и сомнительна, но не лишена определенных проблесков образованной просвещенности в кромешной тьме.

Один из таких интригующих способов перемещения основан на технологиях, подобных тем, что применяются в “варп-двигателе” или “двигателе искривления” из сериала “Звездный путь”.

Принцип действия этой силовой установки, известной еще как “двигатель Алькубьерре”* (названного по фамилии мексиканского физика-теоретика Мигеля Алькубьерре), состоит в том, что он позволяет кораблю сжимать перед собой нормальное пространство-время, описанное Альбертом Эйнштейном, и расширять его позади себя.

Автор фото, NASA

Подпись к фото,

Нынешний рекорд скорости принадлежит трем астронавтам “Аполлона 10” – Тому Стаффорду, Джону Янгу и Юджину Сернану

По существу, корабль перемещается в некоем объеме пространства-времени, своеобразном “пузыре искривления”, который движется быстрее скорости света.

Таким образом, корабль остается неподвижным в нормальном пространстве-времени в этом “пузыре”, не подвергаясь деформациям и избегая нарушений универсального предела скорости света.

“Вместо того чтобы плыть в толще воды нормального пространства-времени, – говорит Дэвис, – двигатель Алькубьерре понесет вас, как серфингиста, несущегося на доске по гребню волны”.

Есть тут и определенный подвох. Для реализации этой затеи необходима экзотическая форма материи, обладающая отрицательной массой, чтобы сжимать и расширять пространство-время.

“Физика не содержит никаких противопоказаний относительно отрицательной массы, – говорит Дэвис, – но никаких ее примеров нет, и мы никогда не встречали ее в природе”.

Существует и другой подвох. В опубликованной в 2012 году работе исследователи из Университета Сиднея предположили, что “пузырь искривления” будет накапливать заряженные высокой энергией космические частицы, поскольку неизбежно начнет взаимодействовать с содержимым Вселенной.

Некоторые частицы будут проникать внутрь самого пузыря и накачивать корабль радиацией.

Застрявшие в досветовых скоростях?

Неужели мы так и обречены застрять на этапе досветовых скоростей по причине нашей деликатной биологии?!

Речь ведь не столько о том, чтобы установить новый мировой (галактический?) рекорд скорости для человека, сколько о перспективе превращения человечества в межзвездное общество.

Со скоростью в половину скорости света – а это тот предел, который, согласно данным изысканий Эдельстайна, способен выдержать наш организм – путешествие к ближайшей звезде в оба конца займет более 16 лет.

(Эффекты расширения времени, под воздействием которых для экипажа звездолета в его системе координат пройдет меньше времени, чем для людей, оставшихся на Земле в своей системе координат, не приведут к драматическим последствиям на скорости, составляющей половину скорости света).

Марк Миллис полон надежд. Принимая во внимание, что человечество изобрело противоперегрузочные костюмы и защиту от микрометеоритов, позволяющие людям безопасно путешествовать в великой голубой дали и усеянной звездами черноте космоса, он уверен, что мы сможем найти способы выживания, на какие бы скоростные рубежи не вышли в будущем.

“Те же самые технологии, которые смогут помочь нам достигать невероятных новых скоростей перемещения, – размышляет Миллис, – обеспечат нас новыми, пока неведомыми возможностями для защиты экипажей”.

Примечания переводчика:

*Мигель Алькубьерре выдвинул идею своего “пузыря” в 1994 году. А в 1995 году российский физик-теоретик Сергей Красников предложил концепцию устройства для космических путешествий быстрее скорости света. Идея получила название “трубы Красникова”.

Это искусственное искривление пространства времени по принципу так называемой кротовой норы. Гипотетически корабль будет двигаться по прямой от Земли к заданной звезде сквозь искривленное пространство-время, проходя через другие измерения.

Согласно теории Красникова, космический путешественник вернется обратно в то же самое время, когда он отправился в путь.

Прочитать оригинал этой статьи на английском языке можно на сайте BBC Future.

«Почему нельзя разогнаться быстрее скорости света?» — Яндекс Кью

Популярное

Сообщества

ОбществоТехнологии+6

Александр Горбарчук

12 июля 2017  ·

28,8 K

ОтветитьУточнить

Susanna Kazaryan

Физика

31,8 K

Сусанна Казарян, США, Физик  · 13 июл 2017

Чтобы разогнаться быстрее скорости света надо сперва разогнаться до скорости света. Из опыта жизни мы знаем, что если нам нужно чего-то добиться, то за это надо заплатить. Платим мы обычно за энергию. Посчитаем, сколько энергии (или денег) нужно затратить, чтобы достичь скорости света. 

Используем всем известную формулу Эйнштейна для полной энергии:  E = mc²/√(1-β²), где m — масса тела, а β = v/c — скорость тела (v) в единицах скорости света (c). Знакомые с математикой в этом месте уже видят, что в пределе β → 1, энергия Е → ∞, то есть разгон до скорости света требует бесконечной энергии. А с каким темпом это происходит? 

Если при скорости тела β₁ полная энергия тела равнялась Е₁, то после разгона тела до скорости β₂ > β₁, полная энергия тела станет Е₂ > Е₁. Отношение энергий δ ≡ Е₂/Е₁ = √[(1-β₁²)/((1-β₂²)], не зависит от массы тела. Вооружившись калькулятором, можно посчитать, что при β₁ = 0.9 и β₂ = 0.99 значения δ ≈ 3.09, а при значениях β₁ = 0.99 и β₂ = 0.999 значения δ ≈ 3.16. Дальше считать не надо, ибо уже достигнута асимптотика, при которой δ = √10 ≈ 3.16 или с каждой новой девяткой в величине скорости (β), энергия растёт в 3.16 раз.

Общая формула темпа роста энергии: если тело обладало скоростью β₁ = 0.9 при энергии Е₁, то для достижения скорости β = 0.9…999 (n девяток) потребуется энергия E = Е₁⋅(3.16)ⁿ⁻¹. Таким образом, неограниченный рост числа девяток (n) в величине скорости (β), приводит к неограниченному росту энергии.  

Заключение. Чтобы достичь скорости света нужно затратить бесконечное количество энергии. Таких денег в природе нет. Вот и запретила природа всем телам двигаться со скоростью света, чтобы не было перерасхода при оплате счета за энергию.

Станислав Басос

13 июля 2017

Захожу в подобного типа вопросы, чтобы прочитать великолепные ответы Сусанны. Спасибо вам.

Комментировать ответ…Комментировать…

Владимир Савченко

1,2 K

сисадмин, руководитель среднего звена. Астрономия, лгбт.  · 14 сент 2016

совсем простыми словами вселенная устроена так, что в ней есть предельная скорость движения материи. Это просто некий коэффициент в уравнении. С этой скоростью может двигаться только безмассовый объект, потому что для разгона до этой скорости массивного объекта нужна бесконечно большая энергия. Так как свет (фотон) не имеет массы, он движется с максимально возможной… Читать далее

Дармир Смирнов

16 сентября 2020

разогнатся можно…в мечтах и фантазиях сдесь хоть 999миллиардов световых лет в секунду разгоняй ограничения нет

Комментировать ответ…Комментировать…

Антон Фурс

Физика

438

программист, интересны квантовая механика, теория относительности и астрономия  · 5 июл 2020

Как бы вопрос бессмысленный. Скорость света – максимально возможная скорость. Разумеется вы не можете разогнаться быстрее чем максимально возможное значение =). Другой вопрос – как ведёт себя координатное ускорение тела, на которое действует постоянная сила. Оно будет падать и стремиться к нулю, то есть вы никогда не достигнете этой скорости, хотя и будете бесконечно к… Читать далее

Сергей Лабух

13 января

А как же расширение вселенной со скоростью большей скорости света. Более того расширение происходит с постоянным ускорением?

Комментировать ответ…Комментировать…

Petr Balabanov

4

Увлекаюсь физикой  · 17 мар 2016

Даже если представить, что все прочие практические ограничения преодолены, то остаётся одна большая проблема – электромагнитное взаимодействие. Дело в том, что эта сила переносится фотоном, т.е. чтобы разнородно заряженные частицы притягивали друг друга, им нужно обменяться фотонами и “узнать” что где-то находится частица которую нужно притягивать. Это взаимодействие. .. Читать далее

Комментировать ответ…Комментировать…

Илья Ишутин

28

Астрономия, физика, интернет, проблемы белых людей.  · 31 мая 2016

Частицам света, фотонам, удаётся развить скорость света за счет отсутствия массы. В буквальном смысле, фотон невесом.  Проверить это легко — протяните руку из тени на солнечный свет. Если её не прибьёт к земле — тезис об отсутствии массы у фотонов верен. Теперь о двигателях. Любой двигатель нуждается в топливе. Чем больше топлива, тем быстрее можно разогнаться. Но… Читать далее

Шура Ржевский

10 мая 2017

масса у фотона есть, на фотоны действует гравитация
у него массы покоя нет, его не существует в покое

Комментировать ответ…Комментировать…

Сергей Бельцер

16

Прикладной математик. Программист. Студент  · 14 сент 2016

Главная причина в том, что чем быстрее Вы перемещаетесь в пространстве, тем больше увеличивается Ваша масса. На малых скоростях это почти незаметно, на скорости в 1000км\ч Ваша масса увеличится меньше, чем на 100 грам. Но когда речь заходит о скорости в 280 000 км/с увеличение скорости на те же 1000 км\ч увеличат Вашу массу в разы.  Таким образом Ваша масса будет… Читать далее

Комментировать ответ…Комментировать…

Миша Соловьев

21

Работаю и путешествую  · 27 мая 2016

Почему нельзя? Наверняка можно, только надо технически этого добиться. Тогда будет опровергнута общая теория относительности Энштейна и наш мир станет жить по другим физическим законам. Попробуете?

Комментировать ответ…Комментировать…

Даниил Севостьянов

-18

Просто человек  · 13 июл 2017

А почему нельзя? Просто, ещё наука не достигла совершенного уровня. Однако, учёные уже давно гоняют фотоны на скоростях выше скорости света. Да, это противоречит теории относительности, однако, она была основана так давно, что это неудивительно. Если так пойдет дальше, то лет через 600-1000 люди смогу достигать сверхсветовой скорости.

Boris Voropaev

15 июля 2017

Вод представьте себе океан, волны бегут всегда с одной скоростью, некоторые образуют затейливые узоры, которые… Читать дальше

Комментировать ответ…Комментировать…

Георгий Ф.

493

Студент НИЯУ МИФИ  · 14 сент 2016

Немного сложностей в начале (ниже всё объясняю проще). Есть такая штука – поле Хиггса. С ним взаимодействует почти всё (кроме фотонов, глюонов и гравитонов, ну и их античастиц). Фотон – частица, калибровочный бозон, переносчик электромагнитного излучения (света в том числе). Он то нам и интересен, так как говорим о скорости СВЕТА. Остальные определять не буду, они к… Читать далее

Андрей Береговский

14 сентября 2016

Тогда почему скорость звука так мала по сравнению со скоростью света? Ведь у звука тоже нет массы И делает ли это… Читать дальше

Комментировать ответ…Комментировать…

Boris Voropaev

1,6 K

Окончил среднюю школу в 1989 году  · 13 июл 2017

Почему нельзя? Согласно базовым постулатам ТО, обладая подходящим движком, равномерно разгоняясь, вы не упретесь ни в какую скоростную стенку и вполне себе преодолеете световой барьер. Другое дело, что окружающие не оценят и вы для них будете слоупоком неадекватно воспринимающим время.

Бердибек Сапарбек

13 июля 2017

Скорость всегда меньше скорости света независимо от наблюдателя.

Комментировать ответ…Комментировать…

Двигаться быстрее скорости света? — Нет ничего проще / Хабр

Теория относительности завораживает своими парадоксами. Все мы знаем про близнецов, про возможности засунуть длинный самолёт в короткий ящик. Сегодня каждый выпускник школы знает ответы на эти классические загадки, а уж студенты-физики и подавно считают, что тайн в специальной теории относительности для них не осталось.

Всё бы хорошо, если бы не удручающе обстоятельство — невозможность сверхсветовых скоростей. Неужели никак нельзя быстрее?! — думала я в детстве. А может быть можно?! Поэтому приглашаю вас на сеанс, уж и не знаю, чёрной или белой магии имени Альберта Эйнштейна с разоблачением в конце. Впрочем для тех, кому покажется мало, я приготовила ещё и задачку.

UPD: Сутки спустя публикую решение. Много текста формул, графиков в конце.

К Альфе Центавра

Приглашаю вас занять места в нашем межзвёздном корабле, который направляется в сторону Альфы Центавра. От конечной точки маршрута нас отдаляют 4 световых года. Внимание, запускаем двигатели. Поехали! Для удобства пассажиров наш капитан установил такую тягу, чтобы мы ускорялись с величиной и ощущали привычную нам на Земле силу тяжести.

Вот мы уже прилично разогнались, пускай до половины скорости света . Зададим казалось несложный вопрос: с какой же скоростью мы будем приближаться к Альфа Центавра в нашей собственной (корабельной) системе отсчёта. Казалось бы всё просто, если мы летим со скоростью в неподвижной системе отсчёта Земли и Альфы Центавра, то и с нашей точки зрения мы приближаемся к цели со скоростью .

Тот, кто уже почувствовал подвох, совершенно прав. Ответ неверен! Тут надо сделать уточнение, под скоростью приближения к Альфа Центавра я называю изменение оставшегося расстояния до неё, делённое на промежуток времени, за который такое изменение произошло. Всё, разумеется, измеряется в нашей системе отсчёта, связанной с космическим кораблём.

Тут надо вспомнить, о лоренцевском сокращении длины. Ведь разогнавшись до половины скорости света мы обнаружим, что масштаб вдоль направления нашего движения сжался. Напомню формулу:

И теперь, если на скорости в половину скорости света мы измерим расстояние от Земли до Альфы Центавра, мы получил не 4 св. года, а всего лишь 3,46 св.года.

Получается, что только благодаря тому факту, что мы разогнались до мы уже уменьшили расстояние до конечной точки путешествия почти 0,54 св.года. А если мы будем не просто двигаться с большой скоростью, но ещё и ускоряться, то у масштабного фактора появится производная по времени, которая по сути тоже есть скорость приближения и плюсуется к .

Таким образом помимо к нашей обычной, я бы сказала классической, скорости добавляется ещё один член — динамическое сокращение длины оставшегося пути, которое возникает тогда и только тогда, когда есть ненулевое ускорение. Ну что же, возьмём карандаш и посчитаем.

А тех, кому лень следить за вычислениями встречаю на другом берегу спойлера

— текущее расстояние до звезды по линейке капитана корабля, — время на часах в кают-компании, — скорость.

Уже здесь мы видим, что первая частная производная — это скорость, просто скорость со знаком минус, коль скоро мы приближаемся к Альфе Центавра. А вот второе слагаемое — тот самый подвох, о котором, подозреваю, не все задумывались.

Чтобы найти производную скорости по времени во втором слагаемом, надо быть аккуратным, т.к. мы находимся в подвижной системе отсчёта. Проще всего на пальцах её вычислить из формулы сложения релятивистских скоростей. Пусть в момент времени мы движемся со скоростью , а через какой-то промежуток времени прирастили нашу скорость на . Результирующая скорость по формуле теории относительности будет

Теперь соберём вместе (2) и (3), причём производную от (3) надо взять при , т.к. мы рассматриваем малые приращения.

Полюбуемся на конечную формулу

Она удивительна! Если первый член — скорость — ограничен скоростью света, то второй член не ограничен ничем! Возьмите побольше и… второе слагаемое с лёгкостью может превысить .

— Что-что! — не поверят некоторые.
— Да-да, именно так, — отвечу я. — Оно может быть больше скорости света, больше двух скоростей света, больше 10 скоростей света. Перефразируя Архимеда, могу сказать: «дайте мне подходящую , и я обеспечу вам сколь угодно большую скорость.»

Что ж а давайте подставим числа, с числами всегда интереснее. Как мы помним, капитан установил ускорение , а скорость уже достигла . Тогда обнаружим, что при светового года, наша скорость приближения сравняется со скоростью света. Если же мы подставим световых года, то

Прописью: «три целых, три десятых скорости света».

Продолжаем удивляться

Давайте посмотрим ещё более внимательно на формулу (5). Ведь не обязательно садиться в релятивистский космический корабль. И скорость, и ускорение могут быть совсем маленькими. Всё дело в волшебной . Вы только вдумайтесь!

Вот я села в машину и нажала на газ. У меня есть скорость и ускорение. И в этот самый момент я могу гарантировать, что где-то примерно сотне-другой миллионов световых лет впереди меня есть объекты, приближающиеся сейчас ко мне быстрее света. Для простоты я ещё не брала в расчёт скорость движения Земли по орбите вокруг Солнца, и Солнца вокруг центра Галактики. С их учётом объекты со сверхсветовой скоростью приближения окажутся уже совсем поблизости — не на космологических масштабах, а где-то на периферии нашей Галактики.

Получается, что невольно даже при минимальных ускорениях, например встав со стула, мы участвуем в сверхсветовом движении.

Удивляемся ещё

Посмотри на формулу (5) совсем-совсем пристально. Давайте узнаем не скорость приближения к Альфе Центавра, а наоборот скорость удаления от Земли. При достаточно большом , например, на полпути к цели, мы можем обнаружить, что к нам приближается и Земля, и Альфа Центавра. Оправившись от удивления, конечно можно догадаться, что виной всему сокращение длины, которое работает не только вперёд, но и назад. Пространство за кормой космического корабля сжимается быстрее, чем мы улетаем от точки старта.

Несложно понять и другой удивительный эффект. Ведь стоит изменить направление ускорения, как второе слагаемое в (5) тут же поменяет знак. Т.е. скорость приближения может запросто стать нулевой, а то и отрицательной. Хотя обычная скоростью у нас по прежнему будет направлена к Альфе Центавра.

Разоблачение

Надеюсь, я вас достаточно сбила с толку. Как же так, нас учили, что скорость света максимальна! Нельзя приближаться к чему-либо быстрее скорости света! Но здесь стоит обратить внимание на присказку к любому релятивистскому закону. Она есть в любом учебнике, но кажется, что только загромождает формулировку, хотя именно в ней вся «соль». Эта присказка гласит, что постулаты специальной теории относительности работают «в инерциальной системе отсчёта».

В неинерциальной системе отсчёта Эйнштейн нам ничего не гарантирует. Такие дела!

Тоже самое, чуть более подробно и чуть более сложно

В формуле (5) содержится расстояние . Когда оно равно нулю, т.е. когда мы пытаемся определить скорость локально относительно близких объектов, останется только первое слагаемое , которое, разумеется, не превышает световую скорость. Никаких проблем. И лишь на больших расстояниях, т.е. не локально, мы можем получить сверхсветовые скорости.

Надо сказать, что вообще говоря, относительная скорость удалённых друг от друга объектов — понятие плохо определённое. Наше плоское пространство-время в ускоренной системе отсчёта выглядит искривлённым. Это знаменитый «лифт Эйнштейна» эквивалентный гравитационному полю. А сравнивать две векторные величины в искривлённом пространстве корректно, только когда они находятся в одной точке (в одном касательном пространстве из соответствующего векторного расслоения).

Кстати о нашем парадоксе сверхсветовой скорости можно рассуждать и по-другому, я бы сказала интегрально. Ведь релятивистское путешествия к Альфе Центавра займёт по собственным часам космонавта гораздо меньше 4 лет, поэтому поделив изначальное расстояние на затраченное собственное время, мы получим эффективную скорость больше скорости света. По сути это тот же парадокс близнецов. Кому удобно, может именно так и понимать сверхсветовое перемещение.

Вот и весь фокус. Ваша Капитанша Очевидность.

А напоследок я придумала вам домашнее задание

или наброс для обсуждения в комментариях

.

Задачка

Земляне и альфацентавры решили обменяться делегациями. С Земли стартовал космический корабль со скорость . Одновременно с ним с Альфы Центавра навстречу отправилась летающая тарелка инопланетян с той же скоростью.

Каково расстояние между кораблями в системе отсчёта корабля землян в момент старта, когда они находились у Земли и Альфы Центавра соответственно? Напишите ответ в комментариях.

UPD: Решение

Итак решение задачи. Сначала рассмотрим её качественно.

Договоримся, что часы на Альфе, Земле, ракете и тарелке синхронизованы (это было сделано заранее), и старт по всем четырём часам состоялся в 12:00.

Рассмотрим пространство время графически в покоящихся координатах . Земля находится в нуле, Альфа на расстоянии по оси . Мировая линия Альфы Центавра, очевидно, просто идёт вертикально вверх. Мировая линия тарелки идёт с наклоном влево, т.к. она вылетела из точки в направлении Земли.

Теперь на этом графике пририсуем оси координат системы отсчёта ракеты, стартовавшей с Земли. Как известно, такое преобразование системы координат (СК) называется бустом. При этом оси наклоняются симметрично относительно диагональной линии, которая показывает световой луч.

Я думаю, в этот момент вам уже всё стало понятно. Смотрите, ось пересекает мировые линии Альфы и летающей тарелки в разных точках. Что же произошло?

Удивительная вещь. Перед стартом с точки зрения ракеты и тарелка и Альфа находились в одной точке, а после набора скорости выясняется, что в движущеёся СК старт ракеты и тарелки не был одновременен. Тарелка, вдруг оказывается, стартовала раньше и успела немного приблизиться к нам. Поэтому сейчас в 12:00:01 по часам ракеты до тарелки уже ближе, чем до Альфы.

А если ракета разгонится ещё, она «перепрыгнет» в следующую СК, где тарелка ещё ближе. Причём такое приближение тарелки происходит только за счёт ускорения и динамического сжатия продольного масштаба (о чём собственно весь мой пост), а не продвижения ракеты в пространстве, т.к. ракета ещё по сути ничего и не успела пролететь. Это приближение тарелки, как раз и есть второй член в формуле (5).

Ну и кроме всего прочего надо учесть обычное лоренцевское сокращение расстояния. Сразу сообщу ответ, что при скоростях ракеты и тарелки по каждая расстояние

• между ракетой и Альфой: 3,46 св. года (обычное лоренцевское сокращение)
• между ракетой и тарелкой: 2,76 св. года

Кому интересно, давайте поколдуем с формулами в четырёхмерном пространстве

Такого рода задачи удобно решать с помощью четырёхмерных векторов. Бояться их не надо, всё делается при помощи самых обычных действий линейной алгебры. Тем более мы движемся только вдоль одной оси, поэтому от четырёх координат остаётся только две: и .

Далее договоримся о простых обозначениях. Скорость света считаем равной единице. Мы, физики, всегда так делаем. 🙂 Ещё обычно единицей считаем постоянную Планка и гравитационную постоянную. Сути это не меняет, зато чертовски облегчает писанину.

Итак повсеместно присутствующий «релятивистский корень» обозначим гамма-фактором для компактности записей, где — скорость земной ракеты:

Теперь запишем в компонентах вектор :

Верхняя компонента — время, нижняя — пространственная координата. Корабли стартуют одновременно в неподвижной системе, поэтому верхняя составляющая вектора равна нулю.

Теперь найдём координаты точки в подвижной системе координат , т.е. . Для этого используем преобразование к движущейся системе отсчёта. Оно называется бустом и делается очень просто. Любой вектор надо умножить на матрицу буста

Умножаем:

Как мы видим, временная компонента этого вектора отрицательна. Это и значит, что точка с точки зрения движущеёся ракеты находится под осью , т.е. в прошлом (что и видно на рисунке выше).

Найдём вектор в неподвижной системе. Временная компонента — некоторый неизвестный пока промежуток времени , пространственная — расстояние, на которое приближается тарелка за время , двигаясь со скоростью :

Теперь тот же самый вектор в системе

Найдём обычную векторную сумму

Почему эту сумму я приравняла справа к таком вектору? По определению точка находится на оси , поэтому временная компонента должна быть равна нулю, а пространственная компонента — это и будет то самое искомое расстояние от ракеты до тарелки. Отсюда получаем систему двух простых уравнений — приравниваем временные компоненты отдельно, пространственные отдельно.

Из первого уравнения определяем неизвестный параметр , подставляем его во второе уравнение и получаем . Позвольте опустить простые вычисления и сразу записать

Подставив , , получаем

Что нужно, чтобы создать объект, который движется со скоростью 1% скорости света?

История

Разговор

История

Разговор

Независимый веб-сайт новостей и комментариев, созданный учеными и журналистами. Независимый веб-сайт новостей и комментариев, созданный учеными и журналистами.

Свет быстрый. На самом деле, это самое быстрое из существующих существ, а закон Вселенной гласит, что ничто не может двигаться быстрее света. Свет движется со скоростью 186 000 миль в секунду (300 000 километров в секунду) и может добраться от Земли до Луны чуть более чем за секунду. Свет может пронестись от Лос-Анджелеса до Нью-Йорка менее чем за мгновение ока.

Хотя 1% чего-либо звучит не так уж и много, со светом это все равно очень быстро — около 7 миллионов миль в час! При 1% скорости света путь из Лос-Анджелеса в Нью-Йорк занял бы чуть больше секунды. Это более чем в 10 000 раз быстрее, чем у коммерческого самолета.

Солнечный зонд Parker, показанный здесь в художественном исполнении, является самым быстрым объектом, когда-либо созданным людьми. Он использовал гравитацию Солнца, чтобы разогнаться до 0,05% скорости света. NASA/Johns Hopkins APL/Steve Gribben

Самые быстрые из когда-либо созданных

Пули могут развивать скорость до 2600 миль в час (4200 км/ч), что более чем в три раза превышает скорость звука. Самым быстрым самолетом является реактивный самолет НАСА X3 с максимальной скоростью 7000 миль в час (11 200 км/ч). Звучит впечатляюще, но это всего лишь 0,001% скорости света.

Присоединяйтесь к TNW в Валенсии!

Сердце технологий приближается к сердцу Средиземноморья

Подробнее

Самые быстрые объекты, созданные человеком, — космические корабли. Они используют ракеты, чтобы вырваться из-под земного притяжения, скорость которого достигает 25 000 миль в час (40 000 км в час). Космический корабль, который движется быстрее всего, — это NASA Parker Solar Probe. После запуска с Земли в 2018 году он пролетел сквозь раскаленную атмосферу Солнца и использовал солнечную гравитацию, чтобы разогнаться до 330 000 миль в час (535 000 км/ч). Это ослепительно быстро — но всего 0,05% от скорости света.

Почему даже 1% скорости света сложно

Что мешает человечеству достичь 1% скорости света? Одним словом, энергия. Любой объект, который движется, имеет энергию из-за своего движения. Физики называют это кинетической энергией. Чтобы ехать быстрее, нужно увеличить кинетическую энергию. Проблема в том, что для увеличения скорости требуется много кинетической энергии. Чтобы заставить что-то двигаться в два раза быстрее, требуется в четыре раза больше энергии. Чтобы что-то двигалось в три раза быстрее, требуется в девять раз больше энергии и так далее.

Например, чтобы разогнать подростка весом 110 фунтов (50 кг) до 1% скорости света, потребуется 200 триллионов джоулей (измерение энергии). Это примерно столько же энергии, сколько потребляют 2 миллиона человек в США в день.

Солнечные паруса, тонкий блестящий квадрат, который можно увидеть на изображении японского космического корабля IKAROS, сделанном художником, могут разогнать космический корабль до 10% скорости света. Анджей Мирецкий через Wikimedia Commons, CC BY-SA

Как быстро мы можем двигаться?

Можно получить что-то со скоростью 1% скорости света, но это потребует огромного количества энергии. Могут ли люди заставить что-то двигаться еще быстрее?

Да! Но инженерам нужно найти новые способы заставить вещи двигаться в космосе. Все ракеты, даже новые элегантные ракеты, используемые SpaceX и Blue Origins, сжигают ракетное топливо, которое не сильно отличается от автомобильного бензина. Проблема в том, что сжигание топлива очень неэффективно.

Другие методы толкания космического корабля включают использование электрических или магнитных сил. Ядерный синтез, процесс, который питает Солнце, также намного эффективнее, чем химическое топливо.

Ученые изучают множество других способов быстрого передвижения — даже варп-двигатели, способ передвижения со скоростью, превышающей скорость света, популяризированный в «Звездном пути».

Одним из многообещающих способов заставить что-то двигаться очень быстро является использование солнечного паруса. Это большие тонкие листы пластика, прикрепленные к космическому кораблю и сконструированные таким образом, чтобы солнечный свет мог давить на них, как ветер в обычном парусе. Несколько космических кораблей использовали солнечные паруса, чтобы показать, что они работают, и ученые считают, что солнечный парус может разогнать космический корабль до 10% скорости света.

Однажды, когда человечество не будет ограничено крошечной долей скорости света, мы сможем отправиться к звездам.

Статья Криса Импи, заслуженного профессора астрономии Университета Аризоны

Эта статья перепечатана из The Conversation под лицензией Creative Commons. Прочитайте оригинальную статью.

Также отмечен цифрой

Почему скорость света такая?

Специальная теория относительности Эйнштейна говорит нам, что скорость света составляет 186 000 миль в секунду (300 миллионов метров в секунду). (Изображение предоставлено: Iscatel | Shutterstock< /а>)

Пол М. Саттер — астрофизик Университета штата Нью-Йорк в Стоуни-Брук и Институте Флэтайрон, принимающий Спросите космонавта и Космическое радио и автор книги « Как умереть в космосе ». Он предоставил эту статью Space.com Expert Voices: Op-Ed & Insights .

Мы все знаем и любим скорость света — 299 792 458 метров в секунду — но почему она имеет такое значение? Почему не какой-то другой номер? И почему нас так волнует какая-то случайная скорость электромагнитных волн? Почему она стала таким краеугольным камнем физики?

Ну, это потому, что скорость света просто невероятная.

Связанный: Постоянная скорость света: специальная теория относительности Эйнштейна выдерживает испытание высокой энергией по имени Оле Ромер. В конце 1600-х годов он был одержим какими-то странными движениями луны Ио вокруг Юпитера. Время от времени большая планета закрывала нам вид на свою маленькую луну, вызывая затмение, но время между затмениями, казалось, менялось в течение года. Либо с орбитой Ио происходило что-то странное, что казалось подозрительным, либо что-то еще.

Через пару лет наблюдений Ромер установил связь. Когда мы видим затмение Ио, мы находимся в определенном положении на нашей собственной орбите вокруг Солнца. Но в следующий раз, когда мы увидим другое затмение, несколько дней спустя, мы будем в несколько ином положении, может быть, ближе или дальше от Юпитера , чем в прошлый раз. Если мы находимся дальше, чем в прошлый раз, когда видели затмение, то это означает, что нам нужно немного подождать, чтобы увидеть следующее затмение, потому что свету требуется гораздо больше времени, чтобы дойти до нас, и верно обратное. если мы окажемся немного ближе к Юпитеру.

Единственный способ объяснить различия во времени затмений Ио – это предположить, что свет имеет конечную скорость.

Что-то значить

Непрерывные измерения в течение следующих нескольких столетий укрепили измерение скорости света, но только в середине 1800-х годов все стало действительно складываться воедино. Именно тогда физик Джеймс Клерк Максвелл случайно изобрел свет.

Максвелл экспериментировал с малопонятными тогда явлениями электричества и магнетизма, когда обнаружил единую единую картину, которая могла объяснить все разрозненные наблюдения. Закладывая основу для того, что мы теперь понимаем как электромагнитная сила , в этих уравнениях он обнаружил, что изменение электрических полей может создавать магнитные поля, и наоборот. Это позволяет волнам электричества создавать волны магнетизма, которые продолжают создавать волны электричества, и вперед, и назад, и вперед, и назад, перескакивая друг через друга, способные путешествовать в пространстве.

И когда Максвелл начал вычислять скорость этих так называемых электромагнитных волн, он получил то самое число, которое ученые веками измеряли как скорость света. Следовательно, свет состоит из электромагнитных волн и распространяется с такой скоростью, потому что именно с такой скоростью волны электричества и магнетизма распространяются в пространстве.

И все это было хорошо, пока несколько десятилетий спустя не появился Эйнштейн и не понял, что скорость света вообще не имеет ничего общего со светом. В своей специальной теории относительности Эйнштейн осознал истинную связь между временем и пространством, единую ткань, известную как пространство-время. Но, как мы все знаем, пространство сильно отличается от времени. Метр или фут очень отличаются от секунды или года. Кажется, это две совершенно разные вещи.

Так как же они могут быть на одной ноге?

Нужен был какой-то клей, какая-то связь, которая позволила бы нам переводить движение в пространстве и движение во времени. Другими словами, нам нужно знать, сколько, например, стоит один метр пространства во времени. Каков обменный курс? Эйнштейн обнаружил, что существует одна константа, определенная скорость, которая может сказать нам, сколько пространства эквивалентно количеству времени, и наоборот.

Теории Эйнштейна не говорили, что это за число, но затем он применил специальную теорию относительности к старым уравнениям Максвелла и обнаружил, что эта скорость преобразования в точности равна скорости света.

Конечно, эта скорость преобразования, эта фундаментальная константа, объединяющая пространство и время, не знает, что такое электромагнитная волна, и ее это даже не волнует. Это всего лишь какое-то число, но оказывается, что Максвелл уже вычислил это число и открыл его, даже не подозревая об этом. Это потому, что все безмассовые частицы могут двигаться с этой скоростью, а поскольку свет не имеет массы, он может двигаться с этой скоростью. Итак, скорость света стала важным краеугольным камнем современной физики.

Но все же, почему это число с таким значением, а не какое-то другое случайное число? Почему природа выбрала именно это, а не другое? В чем дело?

Связанный: Гений Альберта Эйнштейна: его жизнь, теории и влияние на науку

Делая это бессмысленным

Ну, число на самом деле не имеет значения. В конце концов, у него есть единицы измерения: метры в секунду. А в физике любое число, к которому привязаны единицы измерения, может иметь любое старое значение, которое оно захочет, потому что это означает, что вы должны определить, что такое единицы. Например, чтобы выразить скорость света в метрах в секунду, сначала нужно решить, что такое, черт возьми, метр и что такое, черт возьми, секунда. Итак, определение скорости света связано с определениями длины и времени.

В физике нас больше интересуют константы, у которых нет единиц измерения или измерений, — другими словами, константы, фигурирующие в наших физических теориях, представляют собой простые числа. Они кажутся гораздо более фундаментальными, поскольку не зависят ни от каких других определений. Другими словами, если бы мы встретились с какой-нибудь инопланетной цивилизацией , у нас не было бы возможности понять их измерение скорости света, но когда дело доходит до безразмерных констант, мы все можем с этим согласиться. Это просто цифры.

Одно из таких чисел известно как постоянная тонкой структуры, которая является комбинацией скорости света, постоянной Планка и диэлектрической проницаемости свободного пространства. Его значение составляет примерно 0,007. 0,007 что? Всего 0,007. Как я уже сказал, это просто число.

Итак, с одной стороны, скорость света может быть какой угодно, потому что у нее есть единицы измерения, и нам нужно их определить. Но, с другой стороны, скорость света не может быть чем-то иным, кроме того, что она есть на самом деле, потому что, если бы вы изменили скорость света, вы изменили бы постоянную тонкой структуры. Но наша Вселенная выбрала постоянную тонкой структуры примерно 0,007, и никак иначе. Это просто вселенная, в которой мы живем, и у нас нет выбора. И поскольку это фиксировано и универсально, скорость света должна быть именно такой, какая она есть.

Так почему же константа тонкой структуры является именно тем числом, которым она является, а не чем-то другим? Хороший вопрос. Мы не знаем.

Узнайте больше, прослушав серию “Почему скорость света такая?” в подкасте «Спросите космонавта», доступном в iTunes и в Интернете по адресу http://www.askaspaceman.com. Спасибо Роберту Х., Майклу Э., @DesRon94, Evan W., Harry A., @twdixon, Hein P., Colin E. и Lothian53 за вопросы, которые привели к написанию этой статьи! Задайте свой вопрос в Твиттере, используя хэштег #AskASpaceman или подписавшись на Пола @PaulMattSutter и facebook.com/PaulMattSutter.

Присоединяйтесь к нашим космическим форумам, чтобы продолжать обсуждать последние миссии, ночное небо и многое другое! А если у вас есть новость, исправление или комментарий, сообщите нам об этом по адресу: [email protected].

Пол М. Саттер — астрофизик из Университета штата Нью-Йорк в Стоуни-Брук и Института Флэтайрон в Нью-Йорке. Пол получил докторскую степень по физике в Университете Иллинойса в Урбана-Шампейн в 2011 году и провел три года в Парижском институте астрофизики, после чего получил стажировку в Триесте, Италия. регионов Вселенной до самых ранних моментов Большого Взрыва до охоты за первыми звездами. В качестве «звездного агента» Пол уже несколько лет страстно вовлекает общественность в популяризацию науки. Он ведущий популярной программы «Спроси космонавта!» подкаста, автор книг «Твое место во Вселенной» и «Как умереть в космосе», часто появляется на телевидении, в том числе на канале «Погода», где он является официальным специалистом по космосу.

Компьютеры становятся все быстрее и быстрее, но их скорость все еще ограничена физическими ограничениями электрона, движущегося сквозь материю. Какие технологии появляются, чтобы преодолеть этот скоростной барьер?

Дэвид Ди Винченцо из IBM Thomas J. Исследовательский центр Watson предлагает следующий ответ:

«Все современные компьютерные технологии действительно ограничивается скоростью движения электрона. Это ограничение является довольно принципиальным, поскольку самый быстрый возможная скорость передачи информации — это, конечно, скорость света, а скорость электрона — уже значительная часть этого. Мы надеемся на будущие улучшения не столько в скорости компьютерных устройств, как в скорости вычислений. Сначала это может звучать как одно и то же, пока вы не понять, что количество операций компьютерного устройства, необходимых для выполнения вычислений, определяется что-то другое, а именно алгоритм.

“Очень эффективный алгоритм может выполнять вычисления намного быстрее, чем неэффективный алгоритм, даже если аппаратное обеспечение компьютера не изменилось. Так дальнейшее совершенствование алгоритмов предлагает возможный путь к дальнейшему ускорению работы компьютеров; лучше использование параллельных операций, предварительное вычисление частей задачи и другие подобные приемы — все это возможные пути повышения эффективности вычислений.

“Эти идеи могут звучать так, как будто они не имеют ничего общего с «физическими ограничениями», но на самом деле мы обнаружили, что, принимая во внимание некоторые из квантово-механические свойства будущих компьютерных устройств, мы можем разработать новые виды алгоритмов, которые намного, намного эффективнее для определенных вычислений. Мы до сих пор очень мало знаем об основных ограничениях эти «квантовые алгоритмы».

Сет Ллойд, доцент кафедры машиностроения Массачусетский технологический институт подготовил этот обзор:

«Скорость компьютеров ограничена тем, как быстро они могут перемещать информацию из того места, где она находится сейчас, туда, куда она должна идти дальше, и насколько быстро это информация может быть обработана, как только она попадает сюда. Электронный компьютер вычисляет, перемещая электроны, поэтому физические ограничения электрона, движущегося через материю, определяют, насколько быстро могут работать такие компьютеры. Однако важно понимать, что информация может перемещаться по компьютеру гораздо быстрее, чем сами электроны. Рассмотрим садовый шланг: когда вы включаете кран, сколько времени уходит на воду? выйти с другого конца? Если шланг пустой, то количество времени равно длине шланга. деленная на скорость, с которой вода течет по шлангу. Если шланг полный, то количество времени, которое требуется выхода воды — это длина шланга, деленная на скорость, с которой импульс распространяется вниз по шланг, скорость примерно равна скорости звука в воде.

“Провода в ЭВМ подобны полным шлангам: они уже набиты электронами. Сигналы проходят по проводам со скоростью света в металла, примерно вдвое меньше скорости света в вакууме. Транзисторные ключи, выполняющие обработка информации в обычном компьютере подобна пустым шлангам: когда они переключаются, электронам приходится перемещаться с одной стороны транзистора на другую. Тогда «тактовая частота» компьютера ограничивается максимальная длина, которую должны пройти сигналы, деленная на скорость света в проводах и на размер транзисторов, деленное на скорость электронов в кремнии. В современных компьютерах эти числа порядка триллионные доли секунды, что значительно меньше, чем реальное время часов в миллиардные доли секунды. Компьютер можно сделать быстрее, просто уменьшив его размер. Более совершенные методы миниатюризации на протяжении многих лет были и остаются наиболее важным подходом к ускорению работы компьютеров.

“На практике электронные эффекты, отличные от скорости света и скорости электронов, по крайней мере так же важны для ограничения скорость обычных компьютеров. И провода, и транзисторы обладают емкостью, или C, которая измеряет их способность накапливать электроны — и сопротивление, R — которое измеряет степень, в которой они сопротивляются потоку Текущий. Произведение сопротивления и емкости, RC, дает характеристический масштаб времени, в течение которого заряд течет на устройство и с него. Когда компоненты компьютера становятся меньше, R увеличивается, а C уменьшается, поэтому что убедиться, что у каждой части компьютера есть время сделать то, что ему нужно, — это сложный баланс. Технологии для выполнения этого балансирующего акта без сбоев находятся в центре внимания многих современных исследований.

«Как отмечалось выше, одним из ограничений скорости работы компьютеров является принцип Эйнштейна, согласно которому сигналы не могут распространяться быстрее скорости света. Таким образом, чтобы сделать компьютеры быстрее, их компоненты должны стать меньше. При нынешних темпах миниатюризации поведение компьютерных компонентов достигнет атомарного уровня. масштаб через несколько десятков лет. В атомном масштабе скорость обработки информации ограничена Принцип неопределенности Гейзенберга. Недавно исследователи, работающие над «квантовыми компьютерами», сконструировали простые логические устройства, хранящие и обрабатывающие информацию об отдельных фотонах и атомах. Атомы могут быть «переключился» из одного электронного состояния в другое примерно за 10 ¹⁵ второй. Могут ли такие устройства однако, еще предстоит увидеть.

“Насколько быстро могут работать такие компьютеры в конце концов идти? Сотрудник IBM Рольф Ландауэр отмечает, что экстраполяция современных технологий до их «предельных» пределов — опасная игра: многие предложенные «предельные» ограничения уже пройдены. Лучшая стратегия поиска предельные ограничения скорости компьютера — подождать и посмотреть, что произойдет».

Роберт А. Саммерс профессор технологии электронной инженерии в Weber Государственный университет в Огдене, штат Юта. Его ответ больше фокусируется на текущем состоянии компьютера. технология:

“Физические барьеры, как правило, ограничивают скорость компьютерной обработки. двигатели могут обрабатывать данные, используя обычные технологии. Но производители микросхем интегральных схем исследуя некоторые новые, более инновационные методы, которые имеют большие перспективы.

“Один подход занимает Преимущество неуклонно уменьшающегося размера трассы на микросхемах (то есть размера элементов, которые могут быть «нарисовано» на каждой фишке). Меньшие дорожки означают, что теперь на них можно изготовить до 300 миллионов транзисторов. один кремниевый чип. Увеличение плотности транзисторов позволяет интегрировать все больше и больше функций в микросхему. одиночный чип. Провод длиной в один фут производит примерно одну наносекунду (миллиардную долю секунды) времени. задерживать. Если данные должны пройти всего несколько миллиметров от одной функции на чипе к другой на том же чип, время задержки данных может быть уменьшено до пикосекунд (триллионных долей секунды). Чипы с более высокой плотностью также позволяют обрабатывать данные 64 бита за раз, в отличие от восьми, 16 или, в лучшем случае, 32-битных процессоров, которые теперь доступны в персональных компьютерах типа Pentium.

“Другие производители интегрируют несколько избыточные жизненно важные цепи процессора, соединенные параллельно на одном кристалле. Эта процедура позволяет несколько этапов данных обработка происходит сразу, снова увеличивая скорость передачи данных. В другом, совсем другом подход, производители работают над интеграцией всего компьютера, включая всю память, периферийные элементы управления, часы и контроллеры — на одном и том же куске кремния площадью квадратный сантиметр. Этот новый «суперчип» быть полноценным компьютером, лишенным только человеческого интерфейса. Компьютеры размером с ладонь, которые мощнее, чем наши лучшие настольные машины станут обычным явлением; мы также можем ожидать, что цены будут продолжать падать.

“Еще один вопрос, который рассматривается, – это программное обеспечение, которое будет лучше использовать возможности существующих машин. A Удивительной статистикой является то, что около 90 процентов времени новейшие настольные компьютеры работают в виртуальных 86 режиме, то есть они созданы для работы так, как если бы они были древними восьмибитными машинами 8086, несмотря на всю их фантазию. высокоскоростные 32-битные шины и супер цветная графика. Это ограничение возникает из-за того, что большинство коммерческое программное обеспечение по-прежнему пишется для архитектуры 8086. Виндовс НТ, Виндовс 95 и тому подобное несколько попыток использования ПК в качестве 32-разрядных высокопроизводительных машин.

“Что касается других технологий, большинство компании очень ревностно относятся к своей безопасности, и поэтому трудно понять, какие новые вещи действительно появляются посмотрел на. Волоконная оптика и световые системы сделали бы компьютеры более невосприимчивыми к шуму, но свет распространяется со скоростью точно такой же скорости, как электромагнитные импульсы на проводе. Может быть, есть некоторая польза от капитализации фазовые скорости для увеличения скорости передачи и обработки данных. Фазовые скорости могут быть намного больше чем основная несущая волна. Использование этого явления откроет совершенно новую технологию, которая используют очень разные устройства и способы транспортировки и обработки данных» 9.0011

Подробнее о Возможные преимущества оптических вычислений исходят от Джона Ф. Уолкапа, директора Лаборатории оптических систем в отделе электротехника в Техасском технологическом университете в Лаббоке, штат Техас:

«Электронные компьютеры ограничены не только скоростью электронов в веществе, но и возрастающей плотностью взаимосвязей, необходимых для связать электронные ворота на микросхемах. Уже более 40 лет инженеры-электрики и физики работает над технологиями аналоговых и цифровых оптических вычислений, в которых информация в первую очередь переносятся фотонами, а не электронами. Оптические вычисления, в принципе, могут привести к гораздо более высоким результатам. скорости компьютера. Достигнут значительный прогресс, успешно используются процессоры оптических сигналов. для таких приложений, как радары с синтезированной апертурой, оптическое распознавание образов, оптическая обработка изображений, улучшение отпечатков пальцев и анализаторы оптического спектра.

«Ранние работы по обработке оптических сигналов. и вычислительная техника была в основном аналоговой по своей природе. Однако за последние два десятилетия было предпринято много усилий. потрачено на разработку цифровых оптических процессоров. Основные прорывы были сосредоточены вокруг разработки таких устройств, как VCSELS (лазер с поверхностным излучением с вертикальным резонатором) для ввода данных, SLM (пространственные модуляторы света, такие как жидкокристаллические и акустооптические устройства) для размещения информации на световые лучи и высокоскоростные APD (лавинные фотодиоды) или так называемые устройства Smart Pixel для данных. выход. Предстоит еще много работы, прежде чем цифровые оптические компьютеры станут широко доступными на коммерческой основе. темпы исследований и разработок увеличились в 1990-е.

“Одна из проблем оптических компьютеров столкнулись с отсутствием точности; например, эти устройства имеют практические пределы точности от восьми до 11 бит. в основных операциях. Недавние исследования показали способы обойти эту трудность. Алгоритмы цифрового разделения, который может разбивать продукты матричных векторов на субпродукты с более низкой точностью, работая в тандеме с коды с исправлением ошибок могут существенно повысить точность операций оптических вычислений.

“Оптический Устройства для хранения данных также будут важны при разработке оптических компьютеров. Технологии в настоящее время в настоящее время исследуются усовершенствованные оптические компакт-диски, а также оптическая память с возможностью записи/чтения/стирания. технологии. Голографическое хранение данных также предлагает многообещающие возможности хранения оптических данных высокой плотности в будущие оптические компьютеры или для других приложений, таких как хранение архивных данных.