. Как два корабля, движущиеся со скоростью света, будут общаться друг с другом?
спросил
Изменено 7 лет, 5 месяцев назад
Просмотрено 12 тысяч раз
$\begingroup$
Предположим, у нас есть корабль, летящий со скоростью света, или очень близко к ней, или выше.
Второй корабль движется за ним с той же скоростью.
Второй корабль хочет что-то сообщить первому кораблю, но они не могут передавать радиоволны или даже стрелять лазерами по кораблю впереди, так как это нарушит общую теорию относительности. Есть ли способ для них общаться, не обгоняя корабль (при условии, что они могут) и отправляя сообщения вниз по течению?
- связь
- космические путешествия
- сверхсветовые
10
$\begingroup$
Корабль не может двигаться со скоростью света, в лучшем случае он может двигаться со скоростью, близкой к скорости света.
Разница имеет значение.
На самом деле ничто не мешает двум кораблям, движущимся со скоростью, сколь угодно близкой к c, общаться с помощью лазеров или радио. Лазеру потребуется такое же время, чтобы преодолеть расстояние, как если бы вы путешествовали с какой-то другой скоростью. Скорость относительно некоторых внешних объектов не имеет значения. В этом случае относительная скорость равна нулю, поэтому не будет даже доплеровского сдвига или странных релятивистских эффектов.
$\endgroup$
18
$\begingroup$
С реальной физикой да, они могут общаться. Оба корабля должны двигаться со скоростью света, поэтому любая световая волна (или радиоданные), посылаемая с одного корабля на другой, движется со скоростью света даже с точки зрения первого корабля!
Это означает, что если у вас есть два корабля, идущих по прямой со скоростью 0,99c 300 000 км друг от друга, связь была бы совершенно нормальной с задержкой всего в 1 секунду.
Если вы отправляетесь в путешествие «Скорее света», вы находитесь в области научной фантастики, и те же средства, которые вы используете для сверхсветовых двигателей, могут быть использованы для сверхсветовой связи.
$\endgroup$
7
$\begingroup$
Если корабли действительно движутся со скоростью света, используя известную физику (что
Причиной этого является замедление времени: чем ближе к скорости света движется корабль, тем медленнее течет его собственное время. На пределе корабля, движущегося со скоростью света, нет для него проходит собственное время — с точки зрения пассажиров, они прибывают в пункт назначения сразу же после того, как отправились в путь.
Таким образом, у пассажиров не будет времени на отправку или получение каких-либо сообщений, или сделать что-нибудь еще во время путешествия.
Итак, как мы можем заставить корабль двигаться со скоростью света, используя известные законы физики? Ну, согласно теории относительности, только безмассовые частицы, такие как фотоны, могут достигать скорости света, поэтому нам придется сделать корабль (и все, что он несет) из света (или каких-то других безмассовых частиц, но легких действительно самый удобный).
На практике такой «корабль» будет больше похож на транспортер из «Звездного пути», чем на что-либо, что обычно называют космическим кораблем: на станции отправления с помощью Sufficiently Advanced Science™ пассажиры будут преобразованы в импульс света, который излучается на удаленный приемник, который меняет процесс. Что касается пассажиров, то процесс напоминает мгновенную телепортацию, хотя, конечно, на каждый пройденный таким образом световой год действительно приходится год (координатного) времени.
Конечно, этот процесс был бы гораздо удобнее, если бы «пассажиры» уже были закодированы в легко передаваемую информацию — то есть если бы они были либо ИИ, либо людьми (или другими изначально биологическими существами), каким-то образом «загруженными» в программу . На самом деле, если вы хотите таким образом передавать существа с физическими телами, проще всего будет сначала отсканировать в программную эмуляцию, передать программу, а затем, при желании, перестроить для них новые тела в пункте назначения. (Эй, я не говорил, что будет
Или, конечно, вы можете постулировать какую-то новую физику (или экзотические крайние случаи современных физических теорий, такие как стабильные червоточины), которые позволяют путешествовать со скоростью, превышающей скорость света. Однако в этом случае вы вольны предполагать все, что захотите, о том, как будет работать связь в полете (или не работать, как может быть). Для конкретного случая путешествия через червоточины разумно правдоподобным предположением будет то, что корабли, путешествующие через та же самая червоточина могла общаться точно так же, как и в обычном пространстве (в конце концов, червоточина 
(с).
$\endgroup$
5
$\begingroup$
Здесь важно понимать, что скорость всегда относится к определенной системе отсчета. Абсолютной скорости не существует. (В основном это то, на что ссылается «Относительность» в «Общей теории относительности»)
Представьте себе двух астронавтов, парящих в огромной, совершенно пустой области глубокого космоса. Для них нет видимых звезд (или любого другого оборудования), нет маленьких атомов водорода, летающих вокруг, нет ничего, кроме их двоих и бесконечной черноты.
Если расстояние между ними сокращается со скоростью 10 метров в секунду, то как можно сказать, кто из них движется, а кто нет? Вы не можете. Сам вопрос некорректен. Если астронавты мало что знают об этих вещах, они, вероятно, ответили бы так, если бы вы спросили их мнение:
- Астронавт А: Я явно неподвижен, а Астронавт Б движется ко мне со скоростью десять метров в секунду.
- Астронавт B: Ни за что, я неподвижен, а астронавт A движется ко мне!
Они оба правы. Для них они неподвижны, а предметы вокруг них движутся. Это верно для чего угодно, даже для космического корабля, удаляющегося от Земли с релятивистской (очень-очень высокой) скоростью. Для пассажиров корабля ситуация обратная: кажется, что они неподвижны, а Земля удаляется от них с релятивистскими скоростями.
В примере с астронавтом мы можем использовать только две системы отсчета: астронавта А или астронавта Б. Там нет никого, чье мнение мы можем спросить. На самом деле это означает, что нет другой системы отсчета, с которой можно было бы ответить на вопрос. Вы можете спросить: «Ну, а как быстро они движутся относительно точки Z где-то между ними?» но помните, это совершенно пустое место. В точке Z ничего нет. Пустое пространство не движется и не стационарно. Его не существует, поэтому, конечно, вы не можете говорить о том, где он находится.
А вот что известно о ситуации одному Богу: два астронавта находятся в отдаленной области космоса, которая из-за расширения Вселенной удаляется от Земли со скоростью, превышающей скорость света.
Таким образом, оба астронавта удаляются от Земли быстрее скорости света.
Но это не имеет значения, пока астронавты просто хотят светить друг другу светом или тыкать друг в друга, или что-то еще, что они делают для общения. В конце концов они столкнутся друг с другом, так же как средства связи между двумя космическими кораблями будут сталкиваться друг с другом (если космические корабли движутся друг относительно друга медленнее, чем скорость света). Если они хотят общаться с Землей, это совсем другое дело, и тогда в игру вступает скорость относительно Земли (в этом сценарии Земля находится за пределами «Объема Хаббла», поэтому они действительно не смогут общаться с Землей). ).
$\endgroup$
$\begingroup$
Относительно друг друга два корабля неподвижны. Любая передача от ведомого корабля будет поступать на ведущий корабль, как если бы они оба стояли на месте.
Вы можете думать об этом так: представьте себе Землю, вокруг которой вращается Луна. Если вы направите лазер с Луны на приемную станцию на Земле, свет будет распространяться по направлению к Земле со скоростью света, и на его достижение потребуется около 1,25 секунды. Поскольку скорость вращения Луны вокруг Земли очень мала по сравнению со скоростью света, замедления времени практически нет.
Теперь представьте себе два ваших космических корабля, путешествующих на скорости 0,999999с мимо системы Земля-Луна, при этом корабль А опережает корабль В на те же 1,25 световых секунды. Задержка времени между космическим кораблем и Землей-Луной составляет 707 (см. http://www.1728.org/reltivty.htm), что означает, что если вы будете вести передачу либо с корабля на Землю, либо с Земли на корабли, звук и видео в вашей передаче должны быть ускорены или замедлены в 707 раз, чтобы быть разборчивыми.
НО, между двумя кораблями, относительная скорость равна нулю. Сигналы, идущие от корабля A к кораблю B, будут распространяться со скоростью света относительно корабля A , поэтому передача от A к B займет 1,25 секунды, но между двумя космическими кораблями не будет замедления времени.
$\endgroup$
8
$\begingroup$
Современная физика отвечает нет. Единственный потенциальный ответ на этот вопрос, который существует в настоящее время, находится в области квантовой запутанности… концепция, используемая в таких играх, как «масс-эффект 3», которая имеет некоторую основу в квантовой физике, является потенциальным вариантом здесь, поскольку «информация» потенциально может путешествовать. намного выше скорости света.
Это странная тема для исследования, так как существует множество статей, претендующих на «развенчание» (это отличный термин), за которыми следуют статьи, развенчивающие развенчание (что, как я полагаю, делает его просто чушью), и разоблачающие развенчанные ложные разоблачения?.. .в любом случае, важно помнить, что это теория, причем спорная. Краткое объяснение состоит в том, что парные частицы имеют противоположные спины, но вы не знаете, какой из них имеет спин (фактически, у них нет спина, пока он не измерен).
Измеряя вращение одного из них, вы заставляете другой принимать противоположное вращение… и этот другой может находиться (теоретически) в световых годах от вас, но при этом мгновенно принимать противоположное вращение только что измеренному (пожалуйста, осознайте это объяснение эквивалентно попытке объяснить кота Шрёдингера в двух предложениях).
Идея о том, что «информация» может путешествовать со скоростью, превышающей скорость света, решила бы эту коммуникационную дилемму.
$\endgroup$
4
$\begingroup$
Если бы два корабля двигались с одинаковой скоростью ниже скорости света и вдали от Земли, они бы общались нормально. Они действительно могут даже не знать, что путешествуют так быстро. Например, мы могли бы путешествовать с такой скоростью прямо сейчас и никогда бы об этом не узнали.
Теперь предположим, что есть третий корабль, который движется так быстро, что первые два корабля думают, что он движется от них почти со скоростью света.
Итак, четвертый корабль движется со скоростью, которая, по мнению третьего корабля, почти со скоростью света выше скорости третьего корабля… и так далее, пока вы не достигнете того, что можно описать только как варп 100.
С точки зрения Земли все корабли путешествуют со скоростью чуть меньше скорости света и все прибывают в пункт назначения почти в одно и то же время. Скажем так, жители Земли думают, что кораблям потребовалось два года, чтобы добраться до места назначения. С точки зрения кораблей, самый быстрый корабль может прибыть за пару секунд. Самый медленный корабль может подумать, что это заняло год. И каждый промежуточный корабль думает, что это заняло разное количество времени.
Итак, что касается связи, каждый корабль будет общаться с другими кораблями таким же образом, используя какую-либо форму электромагнитного или визуального спектра. Будет сдвиг или растяжение длины волны и скорости передачи данных между кораблями. Таким образом, их коммуникационное оборудование должно быть в состоянии справиться со сменой.
Если оба корабля движутся в одном направлении и с одинаковой скоростью, они будут нормально общаться независимо от их скорости. Однако при движении со скоростью, близкой к скорости света, время смещается экспоненциально. Если бы один корабль двигался немного быстрее другого, они увидели бы огромные временные различия в собственном восприятии времени. Временные различия между кораблями вызовут доплеровский сдвиг между частотой передачи и частотой приема. Одно судно может передавать на частоте 2,45 ГГц. Другому кораблю может потребоваться прием на всех частотах (2,2 ГГц, 1,9 ГГц).ГГц, 5 МГц и т. д.) в зависимости от степени доплеровского сдвига. При возврате передачи одно судно будет передавать на частоте 2,45 ГГц. Другой корабль будет принимать на какой-то другой частоте (5 ГГц, 20 ГГц и т. д.).
Вопрос также спрашивал, что, если бы один корабль двигался со скоростью, превышающей скорость света. Корабль никогда не сможет разогнаться до или выше скорости света. Временные изменения из-за теории относительности заставят человека, управляющего кораблем, думать, что он гонится за морковкой.
Чем быстрее они движутся, тем сильнее временные изменения, и они всегда будут думать, что свет движется со скоростью света быстрее, чем они. Однако, если что-то попадает в тиски Гравитационного Колодца, который сжимает Пространство/Время за пределы скорости света, это будет так, как если бы они двигались быстрее скорости света. В этом случае временной сдвиг приближается или становится бесконечным. Любая передача, исходящая с корабля, будет иметь бесконечно низкую частоту. Если бы передача могла избежать гравитации, потребовалась бы бесконечность, чтобы получить всю передачу.
$\endgroup$
$\begingroup$
Пока два корабля движутся с одинаковой скоростью и медленнее, чем C (пусть даже немного), проблем нет. Поскольку время замедляется по мере того, как вы ускоряетесь, радиосигналу, движущемуся со скоростью C, на 0,1 м/с быстрее, чем корабль, может потребоваться месяц, чтобы достичь корабля впереди с точки зрения стационарного наблюдателя, но для людей внутри секунды корабль, это будет казаться мгновенным, потому что они думают «медленно».
Точно так же любое оборудование, передающее или декодирующее сигнал, будет работать «медленно», поэтому сообщение будет иметь правильный битрейт.
$\endgroup$
$\begingroup$
Телепатия! Мысль не имеет массы, поэтому ее перемещение не займет времени, поэтому общение будет мгновенным. Я знаю, что свет состоит из фотонов, и это означает, что свет не имеет массы, поскольку фотоны не имеют массы. Однако у фотонов есть относительная масса.
$\endgroup$
4
$\begingroup$
Удивлен, что никто не думал, что Орсон Скотт Кард был прав с Игрой Эндерса. Я знаю, что это научно-фантастическая книга, но поскольку все ответы кажутся основанными на предположении, что современная физика на 100% верна, я решил, что могу выйти за рамки (маргинальная наука?!).
Я думаю, что теория называется суперсимметрией, которая, я думаю, может перевернуть то, что мы знаем, с ног на голову? Я не уверен, почему люди говорят, что быстрее света невозможно. Есть частицы, которые движутся намного быстрее света, и нейтрино — одна из них. Я думаю, что знание того, что есть что-то более быстрое, дает надежду на то, что сверхсветовое путешествие (Faster Than Light) станет возможным. Если это возможно, доказывая правильность суперсимметрии и, возможно, теории струн, мне придется использовать решение Orson Cards и сказать Ansible. Почти мгновенная связь на любом расстоянии благодаря тому, что кажется описанным как устройство, использующее преимущества квантовой механики или теории струн для передачи сообщений. Фильм был ужасен.
$\endgroup$
8
$\begingroup$
Вот мои 50 центов.
Если корабль, движущийся со скоростью света, сможет достичь корабля перед ним, передаваемый им радиосигнал должен быть способен двигаться быстрее, чем сам корабль через ту же среду (вакуум ).
Другими словами, радиосигнал должен двигаться быстрее света. Это по определению невозможно. Ничто не движется быстрее света.
Даже если бы корабль двигался немного медленнее, чем радиосигнал, проходящий через ту же среду, относительная частота радиосигнала, воспринимаемого кораблем перед ним, была бы настолько низкой, что его было бы невозможно декодировать, или занимает значительное время, так как он поступает с большой задержкой.
Следовательно, при перемещении со скоростью света невозможно вести прямую связь.
Назад — это совсем другая игра. Несмотря на то, что абсолютная скорость радиосигнала равна 0, его относительная частота, воспринимаемая кораблем позади него, по-прежнему равна скорости света и не повреждена.
Я считаю, что оптические гироскопы полностью построены на этом принципе. То есть, построенный на уверенности в том, что ничто не может двигаться быстрее света, даже если само светоизлучающее устройство имеет смещенную скорость.
$\endgroup$
2
Массовое заблуждение: почему мы не можем превзойти скорость света
Теория относительности Эйнштейна — одна из самых умопомрачительных теорий, когда-либо придуманных.
В нем движущиеся часы тикают медленнее, чем неподвижные, а линейки сжимаются. Возможно, самым шокирующим последствием всего этого является то, что ничто не может двигаться быстрее света.
Последнее очень разочаровывает энтузиастов космоса, так как лишает их надежды на скорое исследование космоса. Космос огромен, а ближайшая звезда находится в четырех световых годах от нас. Даже простому радиосигналу, который распространяется с максимально возможной скоростью, потребуется восемь лет, чтобы пройти туда и обратно.
Идея о максимальной скорости довольно нелогична; в конце концов, в повседневном опыте вы можете заставить машину двигаться быстрее, просто сильнее нажимая на газ или переходя на спортивную машину. В ракетостроении вы можете просто позволить ракете стрелять дольше. Так почему же мы не можем двигаться быстрее скорости света?
Ограничение космической скорости
Если вы читали что-нибудь о специальной теории относительности Эйнштейна, вы, вероятно, прочтете, что масса объекта увеличивается с увеличением его скорости.
И это своего рода удовлетворительный и интуитивный ответ. Тяжелее толкать более массивные объекты, и поэтому, если масса объекта становится тяжелее, вам нужно больше работать, чтобы двигаться быстрее. И если масса объекта станет бесконечной при скорости света, то потребуется бесконечное количество энергии, чтобы подтолкнуть его еще быстрее. Вуаля! Ответ на проблему.
Хотя этот ответ является удовлетворительным и интуитивным, он также неверен — по крайней мере, в деталях.
Теперь, прежде чем кто-нибудь решит процитировать меня, говоря, что теория относительности Эйнштейна неверна, не надо. Теория относительности действительно утверждает, что объект с ненулевой массой не может двигаться со скоростью света, и даже безмассовые объекты не могут двигаться быстрее света. Таким образом, это массовое искажение не поможет тем бывшим межзвездным исследователям.
Нет, дело не в том, что заявление о максимальной скорости неверно; проблема в том, что объяснение неверно. Так как же оно возникает?
Масса против инерции
Проблема возникает из-за того, что мы смешиваем две идеи: массу и инерцию.
Инерция на самом деле является свойством, которое сопротивляется изменениям в движении. Просто на малых скоростях инерция и масса одно и то же. Но это не так на высоких скоростях.
Это проще всего увидеть с помощью уравнений, поэтому я нарисую их здесь, но если вы не разбираетесь в математике, я буду использовать их с осторожностью. Все видели самое известное уравнение Эйнштейна, E = mc², где E — энергия, m — масса, а c — скорость света. Буквально говоря, энергия равна массе, умноженной на константу. Однако это уравнение на самом деле является частным случаем. Полностью правильное уравнение: E = γmc², где γ — множитель, который возникает практически во всех уравнениях относительности. Коэффициент γ связан со скоростью и увеличивается с увеличением скорости. При нулевой скорости γ равно единице, а когда скорость приближается к скорости света, γ приближается к бесконечности. Меняется именно этот параметр γ, а не масса. Масса постоянна.
Поскольку ученикам очень трудно понять теорию относительности, учителя физики изобрели педагогическую концепцию под названием «релятивистская масса».
Релятивистская масса равна массе, умноженной на γ. Затем вы можете подставить релятивистскую массу в знаменитое уравнение Эйнштейна, и оно будет выглядеть в знакомой форме. И можно использовать релятивистскую массу для многих других уравнений, которые преподаются на вводном уроке физики. По сути, замена массы релятивистской массой облегчает учащимся изучение теории, а также дает красивую и интуитивную картину того, что происходит, что имеет приятное последствие, заключающееся в том, что учащимся легче принять все релятивистские странности. . Релятивистская масса — это студенческая идея, а не реальная.
Имейте в виду, указать на это не значит критиковать учителей физики. Я сам усвоил эту немного неправильную идею. Точно так же, как врач может прописать лекарство, которое имеет побочный эффект, но пользы больше, чем вреда, учителя физики должны сбалансировать ценность побуждения учащихся к принятию теории относительности, при этом последствия этого заблуждения будут относительно небольшими.
Только учащиеся, изучающие физику, должны будут лучше понять более глубокое и правильное объяснение.
Итак, каковы последствия этого заблуждения? По сути, масса, релятивистская масса, какая разница? Это важно, потому что масса — это не только величина, сопротивляющаяся движению, но и величина, порождающая гравитацию. Поэтому многие студенты думают, что гравитационное поле вокруг быстро движущегося объекта увеличивается. Это имело бы смысл, если бы масса действительно увеличивалась. Но это не так.
Это массовое заблуждение иллюстрирует реальную проблему, связанную с попытками объяснить концепцию глубокой науки с помощью компромиссов; мотивированный мыслитель примет компромисс за истину и будет двигаться вперед, часто делая совершенно разумный, но неверный вывод. Разумный вывод следует из того, чему человека учили, но он неверен, потому что компромисс не совсем точен. К сожалению, ничто не заменит глубокое погружение.
Итак, если вы один из тех целеустремленных мыслителей, которые думали, что быстро движущийся объект имеет большую массу и большую гравитационную силу, от имени учителей физики во всем мире я хотел бы извиниться.