Способы превысить скорость света

5 способов путешествовать быстрее скорости света из научной фантастики. Насколько они реальны?

Ученые говорят, что объекты не способны достигнуть скорости света и обогнать ее. Но наши любимые фантастические фильмы и книги всегда включают подобную возможность, позволяя людям путешествовать между звездами и галактиками.

Давайте изучим 5 популярных фантастических методов, которые не нарушают правил общей теории относительности, и посмотрит, насколько они правдоподобны.

Гипердвигатель

Его использовали в «Звездных войнах» и продолжают применять в художественной литературе. Гипердвигатель позволяет космическому кораблю перемещаться быстрее скорости света, входя в другое измерение – гиперпространство.

На самом деле, корабль не обгоняет скорость света, а использует гиперпространство в качестве места передвижения. Тогда гипердвигатель служит инструментом для того, чтобы попасть в это параллельное измерение.

Определенные координаты в гиперпространстве сходятся с координатами в обычном, но дистанции между этими точками в гиперпространстве меньше. Это позволяет перемещаться намного быстрее с помощью «прыжков». Конечно, перед прыжком нужно точно рассчитать координаты, чтобы не промахнуться.

Это реально? В 1977 году физик Буркхард Хайм предложил интересную теорию. Он считал, что можно достигнуть скорости света и превысить ее, если использовать магнитные поля для входа в пространство более высокой размерности.

Теория строится на математической модели из 6 и более измерений, что позволяет решить расхождения между квантовой механикой и общей теорией относительности.

Его идеи не приняли всерьез в научном сообществе. Однако физик всю жизнь посвятил изучению гиперпространства и возможности быстрых космических путешествий. Так что это мысли не фантаста, а ученого.

«Прыжок»

Это особый двигатель (прыжковый привод), который позволяет мгновенно телепортироваться между двумя точками. Как и в предыдущем случае, нужно четко рассчитывать координаты, чтобы гарантировать безопасное перемещение. Чем дальше лететь, тем сложнее выполнить точные расчеты.

В теории можно перемещаться на любые дистанции (предела нет), но ошибка в расчете приведет к столкновению с планетой или космическим мусором.

Первым идею выдвинул писатель-фантаст Айзек Азимов в цикле романов «Основание». Однако серьезно ее никто не рассматривал и пока ничего подобного не существует.

Червоточины

Червоточины существуют пока лишь в гипотезах, но они позволяют почти мгновенно путешествовать на большие дистанции. Они могут существовать в естественном виде или же быть искусственно созданы при необходимости.

Как понять червоточину? Представьте, что Вселенная – бумажный лист. Если вы хотите переместиться с одного края на другой, то нужно двигаться по прямой линии. Но пространство изгибается.

Поэтому сгибаем бумагу в форму U, соединяем две точки и создаем проход между двумя сторонами, что существенно сокращает дистанцию. Гипотеза указывает на то, что такие «проходы» можно найти в космосе.

Есть ли в этом смысл? Пока никому не удавалось найти червоточины. Впервые они возникли в 1935 году в математических моделях Альберта Эйнштейна и Натана Розена. Так что математика говорит, что червоточины могут существовать.

Более того, Стивен Хокинг утверждал, что при правильных расчетах получится безопасно путешествовать сквозь кротовые норы. Остается лишь найти такие формирования и протестировать.

Скольжение

Эта концепция встречается во франшизе «Звездный путь» и «Доктор Кто». По сути, речь идет о разновидности межпространственного шоссе, где космические корабли перемещаются по «струнам» – невидимые линии, соединяющие объекты о Вселенной. Эти струны находятся в потоке и постоянно пересекаются, позволяя менять направление.

На каждой развилке пилоту нужно выбрать правильный путь, чтобы добраться к нужному месту назначения. До того, как пилот принял решение, оба пути являются правильными и неправильными (привет коту Шредингера).

Есть ли в этом смысл? Наука ничего подобного не рассматривала. Если вникнуть в основу концепции, то это скорее фантастическая интерпретация теории струн, квантовой запутанности и прочих концепций в современной физике.

Варп-двигатель

Популяризация идеи пришла с франшизой «Звездный Путь». Варп-двигатель – это особая технология, позволяющая звездолету искажать пространство. Здесь нужно объяснить.

В полете пространство охватывает корабль с варп-двигателем таким образом, что сзади формируются излишки темной энергии, а спереди ее не хватает. То есть, спереди пространство сжато, а сзади раздуто. Корабль оказывается в своеобразном пузыре и движется на скорости света (и выше нее) по волне искажения, сохраняя пассажиров в целости.

На самом деле, эта идея кажется довольно правдоподобной и ее поддерживает множество физиков. Еще в 1994 году ученые создали пузырь Алькубьерре. Этот диск должен сокращать пространство перед космическим кораблем и расширять его сзади. Причем его функциональность основана на математических решениях уравнений в рамках общей теории относительности.

Чтобы вы понимали, в НАСА с 2012 года активно изучают эту технологию. Даже есть примеры сотрудничества с 3D-художниками, которые разработают примерную модель корабля, способного деформировать пространство. Так что варп-двигатель пока ближе всего находится к реальности и может позволить нам путешествовать быстрее скорости света.

Понравилась статья? Расскажи друзьям!

Источник

Природа даёт подсказку, как двигаться быстрее скорости света

Вряд ли кто-нибудь отказался бы попутешествовать по нашей галактике или хотя бы облететь солнечную систему. Но как покрыть такие расстояния за короткие промежутки времени? Начать придётся издалека, потому что ключ к этому, возможно, лежит где-то среди волн.

Волны на поверхности воды

Как известно, волны в разных средах бывают разные. Волны существуют, например, на поверхности воды. Мы можем видеть эти волны невооружённым глазом, иногда, но не всегда, можем видеть их источник, можем слышать плеск воды. Эти волны поперечные. Скорость этих волн настолько мала, что её может преодолеть, например, водоплавающая птица утка. Даже любой читатель, умеющий плавать, может сделать это в воде, а может двигаться с большей скоростью пешком на суше. След, оставляемый объектами на поверхности воды называется кильватерным следом. В научной среде не принято утверждать, что скорость кораблей, плывущих по поверхности воды, или скорость пешеходов ограничена скоростью поверхностных волн на воде. То есть научно не запрещается передвигаться быстрее волн на поверхности воды. Равно и природа никак не препятствует перемещаться быстрее, чем волны на поверхности воды.

Вот так утка и даже утята преодолевают скорость поверхностных волн:

А ещё ниже корабли преодолевают скорость поверхностных волн:

Волны в воздухе

Кроме того, волны существуют в воздушной среде, то есть в атмосфере. Эти волны мы уже не можем видеть, но иногда можем видеть их источник, например колеблющуюся струну. Мы можем слышать эти волны, а если говорить точнее, можем определять направление на источник, используя органы слуха. Такие волны уже не поперечные, а продольные и могут существовать не только в газах, но и в жидкостях и даже в твёрдых телах. След, оставляемый объектами, движущимися в атмосфере быстрее скорости звуковых волн называется конусом Маха, его сечение плоскостью напоминает поверхностную волну на воде, что может говорить об одной природе этих явлений. Надо сказать, что до появления реактивного движения в науке считалось, что преодолеть скорость звука невозможно. Но запрет, к счастью, был снят и произошло это относительно недавно. Если говорить на чистоту, то ещё раньше утверждалось, что аппарат тяжелее воздуха лететь не сможет. Всё это очень быстро забыли. И теперь в научной среде тоже не принято утверждать, что скорость пули или самолёта ограничена скоростью звуковых волн. Природа тоже не запрещает передвигаться быстрее звуковых волн в той среде, в которой эти волны существуют.

Вот, например, пуля преодолевает скорость звуковых волн:

Волны электромагнитные

И, наконец, самое интересное, волны бывают ещё и электромагнитными. Это такие же поперечные волны как и волны на поверхности воды, но они могут распространяться как звуковые волны в разных средах в разные стороны, а не только вдоль границ между ними. И так уж устроены наши органы зрения, что некоторые (далеко не все, и даже близко не все) из этих электромагнитных волн мы можем воспринимать невооружённым глазом, но тоже своеобразно. Мы не можем увидеть световую электромагнитную волну в процессе распространения так, как мы видим волны на поверхности воды. Но мы можем видеть источник электромагнитных волн, а если уж быть до конца точным, то мы можем определять направление с помощью органов зрения либо непосредственно на этот источник, либо на отражение источника в окружающих нас предметах. Наверняка все уже ждут ту самую подсказку, из заголовка. Так вот, в 1934 году Павел Алексеевич Черенков, будущий нобелевский лауреат обнаружил голубое свечение неизвестной природы. Выяснилось, что причина такого излучения — это превышение движущимися заряженными частицами скорости электромагнитных волн в среде. Даже есть примерная картинка как это происходит, но ничего нового мы на ней не увидим, ведь природа та же, значит и проявление будет уже известным.

Вот она! Та самая подсказка, которая находится перед нами без малого уже почти 100 лет. Если кто-то пропустил, то прошу обратить внимание, частицы с массой (установлено, что это электроны) двигаются быстрее электромагнитных волн в данной среде. А если электрон уже может это сделать в жидкости, то что ему помешает это сделать в вакууме, ну или хотя бы в космическом пространстве? Очевидно, природа не против, если что-то материальное, обладающее массой, движется в какой-либо среде со скоростью, превышающей скорость света в этой же среде. И природа красноречиво нам подсказывает это через нобелевских лауреатов (не дадут соврать П.А. Черенков, Игорь Евгеньевич Тамм и Илья Михайлович Франк, 1958 г.). Может быть стоит уже обратить внимание на эту подсказку. Ведь если мы не можем пока построить двигатель, то возможно это и есть как минимум один из вариантов его создания. Однако это явление в научной среде не пользуется популярностью, хотя казалось бы наука должна уделять больше внимания неудобным вопросам, ведь именно это её продвигает вперёд.

Хотелось бы закончить на оптимистической ноте. Но, к сожалению, от появления прототипа до рабочего варианта проходит очень много времени. От первых винтов Архимеда и Леонардо да Винчи… ну хорошо, пусть от появления винтовой модели Ломоносова (1754 г.) до использования винтового движения в самолетах братьев Райт (1903 г.) прошло почти 150 лет. От первого прототипа реактивного двигателя (пусть будет 1867 г.), до самолётов, использующих реактивное движение (1930 г.) прошло ещё 60 лет. Остаётся надеяться, что сейчас уже появился толковый инженер, со здоровым скептицизмом, а кроме скептицизма ему ещё понадобится упорство, целеустремлённость и ещё много-много чего. Если предположить, что в 1934 г. появился прототип, то прошло уже почти 100 лет и настала пора этому смекалистому инженеру превращать прототип в первую действительно рабочую машину, которая сможет если не преодолевать, то уверенно и быстро приближаться к скорости света. Очень боюсь, что многие будут инженера отговаривать, но надеюсь он никого не послушает и мы успеем застать появление первого околосветового двигателя.

Источник

Спросите Итана: как быстро можно достичь скорости света?

Для достижения скорости, близкой к скорости света, многоступенчатой ракете нужно было бы отбрасывать часть своей массы по мере увеличения скорости, как делает изображённая здесь ракета Super Haas

Допустим, вы хотите отправиться в межзвёздное путешествие и добраться до точки назначения как можно быстрее. Возможно, у вас не получится сделать это до завтра, но если бы у вас были все необходимые инструменты и технологии, а также немного помощи от относительности Эйнштейна – смогли бы вы добраться туда через год? А что насчёт приближения к скорости света? Именно об этом задаёт наш читатель свой вопрос на этой неделе:

Я недавно читала книгу, автор которой пытался объяснить парадокс близнецов, представляя космический корабль, 20 лет летящий с ускорением в 1 g, а затем возвращающийся назад. Возможно ли в течение такого времени поддерживать такое ускорение? Если, допустим, начать путешествие в первый день нового года и лететь с ускорением 9,8 метра в секунду в секунду, то, если верить расчётам, до конца года можно достичь скорости света. Как после этого дальше ускоряться?

Для путешествия к звёздам совершенно необходимо поддерживать такое ускорение.

Этот запуск космического корабля Колумбия в 1992 году показывает, что ракета ускоряется не мгновенно – ускорение занимает долгое время

Самые передовые ракеты и системы реактивного движения, созданные человечеством, недостаточно мощные для такой задачи, потому что они добиваются не такого уж большого ускорения. Впечатляющие они потому, что ускоряют огромную массу довольно продолжительное время. Но ускорение таких ракет, как Сатурн-5, Атлас, Фалькон и Союз не превышает ускорение какого-нибудь спортивного автомобиля: от 1 до 2 g, где g – 9,8 метра на секунду в квадрате. В чём разница между ракетой и спортивным автомобилем? Своего предела автомобиль достигнет секунд через 9, на отметке в 320 км/ч. Ракета же может ускоряться так гораздо дольше – не секунды или минуты, но четверть часа.

Самой первой с космического центра на мысе Кеннеди НАСА запустило ракету Аполло-4. Хотя она ускорялась так же, как спортивный автомобиль, её ключ к успеху был в длительной поддержке этого ускорения

Именно так мы можем преодолеть гравитационное притяжение Земли и выйти на орбиту, достичь других миров в нашей Солнечной системе или даже вырваться из солнечного притяжения. Но в какой-то момент и мы дойдём до предела – ускоряться можно ограниченное время из-за ограничений на количество переносимого топлива. Используемое нами ракетное топливо, к несчастью, чрезвычайно неэффективно. Вы видели знаменитое уравнение Эйнштейна, E = mc 2 , описывающее массу, как форму энергии, и то, что энергию можно хранить в виде материи. Наше замечательное ракетное топливо ужасно неэффективно.

Первый пробный запуск двигателя SpaceX Raptor в начале 2016

Используя химические реакции, топливо преобразует не более 0,001% своей массы в энергию, жёстко ограничивая максимальную скорость, доступную космическому кораблю. И именно поэтому для запуска 5 тонн полезного груза на геостационарную орбиту требуется ракета весом в 500 тонн. Ядерные ракеты были бы более эффективными, и превращали бы порядка 0,5% своей массы в энергию, но идеальным результатом было бы топливо из материи и антиматерии, достигающее 100% эффективности в превращении E = mc 2 . Если бы у вас была ракета определённой массы, неважно, какой, и всего 5% этой массы содержалось бы в антиматерии (а ещё 5% — в одноразовой материи), можно было бы контролировать аннигиляцию во времени. В результате вы получили бы постоянное и устойчивое ускорение в 1 g на гораздо большем промежутке времени, чем даст вам любое другое топливо.

Представление художника о реактивной системе движения с использованием антиматерии. Аннигиляция материи/антиматерии даёт высочайшую плотность физической энергии из всех известных веществ

Если вам требуется постоянное ускорение, то аннигиляция материи/антиматерии, составляющих несколько процентов от общей массы, позволит вам ускоряться с такой скоростью несколько месяцев подряд. Таким способом можно набрать до 40% скорости света, если вы потратите весь годовой бюджет США на создание антиматерии, и будете ускорять 100 кг полезного груза. Если вам нужно ускоряться ещё дольше, вам нужно увеличивать количество взятого с собой топлива. И чем больше вы будете ускоряться, чем ближе вы будете к скорости света, тем сильнее вам будут заметны релятивистские эффекты.

Как ваша скорость увеличивается со временем, если держать ускорение 1 g несколько дней, месяцев, лет или десятилетие

После десяти дней полёта с ускорением в 1 g вы уже минуете Нептун, последнюю планету Солнечной системы. Через несколько месяцев вы начнёте замечать замедление времени и сокращение расстояний. Через год вы наберёте уже 80% от скорости света; через 2 года вы подберётесь к 98% скорости света; через 5 лет полёта с ускорением в 1 g вы будете двигаться со скоростью в 99,99% от скорости света. И чем дольше вы будете ускоряться, тем ближе к скорости света вы подберётесь. Но никогда её не достигнете. Более того, с течением времени на это потребуется всё больше энергии.

На логарифмической шкале видно, что чем дольше вы будете ускоряться, тем ближе к скорости света вы подберётесь, но никогда её не достигнете. Даже через 10 лет вы подберётесь к 99,9999999% скорости света, но не достигнете её

На первые десять минут ускорения потребуется определённое количество энергии, и к окончанию этого срока вы будете двигаться со скоростью 6 км/с. Ещё через 10 минут вы удвоите скорость до 12 км/с, но на это потребуется в три раза больше энергии. Ещё через десять минут вы будете двигаться со скоростью 18 км/с, но на это потребуется в 5 раз больше энергии, чем в первые десять минут. Эта схема продолжит работать и дальше. Через год вы уже будете использовать в 100 000 раз больше энергии, чем в начале! Кроме того, скорость будет увеличиваться всё меньше и меньше.

Длины сокращаются, а время растягивается. На графике показано, как космический корабль, двигавшийся с ускорением в 1 g сто лет, может совершить путешествие почти до любой точки видимой Вселенной, и вернуться оттуда, на протяжении одной человеческой жизни. Но к моменту его возвращения на Земле пройдёт дополнительное время

Если вы хотите ускорять корабль весом в 100 кг в течение года при 1 g, вам потребуется 1000 кг материи и 1000 кг антиматерии. Через год вы будете двигаться со скоростью 80% от скорости света, но никогда её не превзойдёте. Даже если бы у вас было бесконечное количество энергии. Постоянное ускорение требует постоянного увеличения тяги, и чем быстрее вы двигаетесь, тем больше вашей энергии тратится на релятивистские эффекты. И пока мы не придумаем, как управлять деформацией пространства, скорость света останется окончательным ограничением Вселенной. Всё, что обладает массой, не сможет её достичь, а уж тем более, превзойти. Но если вы начнёте сегодня, то через год вы окажетесь там, куда ещё не добирался ни один макроскопический объект!

Итан Сигель – астрофизик, популяризатор науки, автор блога Starts With A Bang! Написал книги «За пределами галактики» [Beyond The Galaxy], и «Трекнология: наука Звёздного пути» [Treknology].

Источник