Почему нельзя превысить скорость света?

Все знают, что скорость света в вакууме — это предельная величина, которую можно достигнуть, и нет ничего во Вселенной, что могло бы двигаться быстрее. Только безмассовые частицы, которые по совместительству являются переносчиками взаимодействий, такие, как фотоны, гравитоны, двигаются со скоростью света. А любое тело, имеющее массу покоя, не может достигнуть такой величины, а только приблизиться.

Почему все именно так, мало кто понимает, в ходу даже есть несколько популярных мифов, которыми объясняется недостижимость скорости света, о которых также поразмыслим.

Содержание

Скорость света

Скорость света в вакууме — это предельная величина распространения электромагнитных волн, а также других фундаментальных взаимодействий; характеризует не только отдельно взятые тела, но и само пространство-время. Наиболее точное измерение скорости света показало, что она равняется 299 792 458 м/с.

Я уже писал в одной своей статье, как превысить скорость света, но там речь шла об «обходных путях», точнее только об одном, никоим образом не нарушающие фундаментальные законы, и приведены пара примеров, которые могут превысить скорость света, например, солнечный зайчик.

Мифы

Перед тем, как начать объяснение, хотелось бы отметить некоторые популярные заблуждения, которые часто можно услышать.

E = mc²

Данная формула эквивалентности массы с энергией часто трактуется неверно. Например, нередко можно услышать, что масса тела увеличивается с увеличением его скорости, и при достижении скорости света она станет бесконечной. Да, на самом деле масса увеличивается, но это не связано с этой формулой. Она всего лишь частный случай другой формулы, из которой и следует правильное заключение. О ней мы тоже успеем поговорить.

Другой миф, связанный с этой же формулой, — это то, что при световой скорости масса превращается в энергию. Или другая ее формулировка, которую также приходилось слышать: чтоб стать энергией, нужно двигаться со скоростью света. Что, опять же, в корне неправильно.

Что-то связанное со временем

Еще одно неверное объяснение, которому я даже не смог придумать нормальное название, но которое часто можно встретить в научно-популярных статьях в сети Интернет, — это то, что время при скорости света замедлится и повернет вспять.

Тем самым объясняется недостижимость таких скоростей. Приводятся всякие аналогии, сравнения для большей убедительности. Подобные объяснения усложняются, видоизменяются, пытаясь стать правдоподобными. Но как одно следует из другого — не понятно.

Отчасти некоторые утверждения верны, например, чем ближе к скорости света, тем быстрее замедляется время. Но это, опять же, не объяснение, а следствие преобразований Лоренца, также являющееся объяснением недосягаемости скорости света.

Объяснение недостижимости скорости света

Я не смог обойти стороной многие популярные мифы и заблуждения, так как именно они сподвигли меня написать данную статью. Рассмотрим основное соотношение теории относительности для свободно движущихся тел:

$E^2 - p^2 = m^2c^4$

где $E$ — энергия, $p$ — импульс, $m$ — масса тела.

Импульс тела в свою очередь равняется:

$p = \frac {vE}{ c^2}$

где $v$ — скорость.

Приведенные выше формулы описывают движение во всем интервале скоростей: $0 \le v \le c$ .

Отметим, что, когда тело покоится, его энергия не становится равной нулю. Как видно из первой формулы, при $v$ = 0, энергия покоя принимает знаменитый вид:

$E_0 = mc^2$

А при скоростях, равных световым, приходим к выводу, что масса частицы должна быть равна нулю, и наоборот, безмассовые частицы могут существовать только при движении со скоростью света. Вы сами можете это проверить, подставив значение импульса при v = c в первое соотношение.

Для частиц, имеющих массу, первую формулу удобно записывать без импульса в следующем виде:

$E^2(1-\frac {v^2}{c^2}) = m^2c^4$

И выражая энергию, получим:

$E= \frac {mc^2}{\sqrt{1- \frac {v^2}{c^2}}}$

Анализирую эту формулу, видим следующее:

Массивное тело не может двигаться со скоростью света, ведь при этом ее энергия будет стремиться к бесконечности.

Это и будет объяснением, почему нельзя перемещаться быстрее скорости света, которое также было неоднократно подтверждено экспериментально на различных ускорителях частиц.

Послесловие

Объяснить, почему нельзя превысить скорость света, без формул не получится. Конечно, можно сказать, что при больших скоростях, близких световым, энергия обращается в бесконечность. Но это будет не полным разъяснением. Почему так происходит также необходимо объяснить, что мы и сделали.

4.4/5 - (11 голосов)