65 ½ (не)детских вопросов о том, как устроено всё - Кирилл Викторович Половников
Но так происходит, только когда мюон покоится или движется с не очень большой скоростью. А вот если его разогнать до скоростей, близких к скорости света (как, например, это происходит в верхних слоях атмосферы, где они «рождаются»), происходит что-то странное: время жизни мюонов начинает увеличиваться. К примеру, многие датчики элементарных частиц, расположенные на Земле, постоянно фиксируют прилеты мюонов из космоса. Но за все время своей короткой «жизни» мюоны, даже если они будут двигаться со скоростью света, смогут пролететь чуть более 6 км. Тем не менее, «родившись» в верхних слоях атмосферы, они успевают долететь до поверхности Земли, хотя должны были распасться еще за несколько десятков километров до этого. Почему же время их жизни увеличивается? А дело опять же в эффекте замедления времени. Ведь это для нас на Земле проходит гораздо больше времени, чем время жизни мюона. По своим собственным часам (которые идут медленнее, чем наши) мюон, как ему и положено, распадается через две миллионные доли секунды.
И так происходит не только в атмосфере, но и в лабораторных исследованиях. Например, на ускорителе элементарных частиц в ЦЕРНе (CERN Storage-Ring experiment) мюоны разгоняют до скоростей, равных 99,94 % от скорости света. И там мюоны распадаются уже не за две микросекунды, а «живут» более 64 микросекунд. Опять же в точном соответствии с уравнениями специальной теории относительности.
Так что машина времени вполне себе существует. В том смысле, что никакие законы природы не запрещают ее создать. Для этого вам достаточно «всего лишь» разогнаться до скорости, близкой к скорости света, немного так полетать, и потом вернуться обратно. За время вашего полета на Земле пройдет несколько лет (а может, и веков), но для вас это путешествие продлится несколько минут, дней или месяцев – в зависимости от того, с какой скоростью вы будете летать. Вот и всё, вы оказались в будущем! Однако вернуться обратно в прошлое у вас уже не получится. Вот тут уже есть строгое ограничение. Так что перед таким путешествием во времени стоит хорошенько подумать. Ведь теория относительности разрешает двигаться во времени только вперед[83].
Вопрос 46. Что будет, если бежать со скоростью света параллельно лучу света?
Мы уже знаем, что в специальной теории относительности постулируется постоянство скорости света во всех инерциальных системах отсчета. Это означает, что для любого наблюдателя свет всегда будет двигаться с одной и той же скоростью – скоростью света. А что, если мы побежим навстречу лучу света? Тогда наши скорости должны складываться, и, следовательно, к нам свет будет приближаться уже с большей скоростью. Однако так можно делать только с точки зрения классической механики, ведь там работает простое правило сложения скоростей: чтобы определить скорость относительного движения двух тел (v0), нужно просто сложить их скорости (v1 и v2):
v0 = v1 + v2
Но мы теперь знаем, что природа устроена несколько сложнее, чем об этом говорит классическая механика. И на больших скоростях классические уравнения перестают работать. Поэтому в СТО из тех же двух базовых постулатов выводится новое правило сложения скоростей, и выглядит оно чуть более сложно:
Эта формула уже более точно описывает реальность и при этом не противоречит классической механике. Действительно, если скорости тел будут достаточно малы по сравнению со скоростью света с (а, в обычной жизни мы имеем дела только с такими скоростями), то выражение в знаменателе практически не отличается от единицы. Следовательно, для малых скоростей эта формула (как, впрочем, и все формулы СТО) переходит в уже привычную нам формулу классической механики.
Но давайте вернемся к нашему примеру. Пусть мы не просто бежим, а летим на сверхзвуковом самолете со скоростью v1 = 3 600 км/ч = 1 000 м/с навстречу лучу света, который всегда движется со скоростью v2 = с. С какой же скоростью мы будем сближаться? Подставим эти данные в релятивистскую формулу сложения скоростей и получим, что сближаться мы будем также со скоростью с:
А что, если мы выстрелим из двух лазерных пушек навстречу друг другу? С какой скоростью будут сближаться эти лазерные лучи? Давайте подставим в нашу формулу v1 = v2 = с:
Опять получаем, что скорость сближения будет в точности равняться скорости света с. Так что, как бы мы ни хитрили, свет всегда будет двигаться со скоростью света, во всех системах отсчета.
Вопрос 47. А можно ли двигаться быстрее скорости света?
Оказывается, из-за того, что скорость света является инвариантом (т. е. всегда имеет одно и то же значение во всех системах отсчета), также следует существование предельно допустимой скорости для всех тел во Вселенной. И значение этой максимально возможной скорости в точности равно скорости света в вакууме. Ничто в природе не может двигаться быстрее.
Но почему так происходит? Физики ведь уже научились разгонять частицы до скоростей, всего лишь на 11 км/ч меньших скорости света. Почему бы им еще немного не подтолкнуть эти частицы, чтобы они наконец преодолели этот барьер? Тут можно дать как минимум два объяснения.
Первое основано на уравнении Эйнштейна E = mc2, а точнее – на его обобщении для случая движущихся тел[84]:
E2 – p2c2 = m2c4.
Здесь E – энергия тела, p = vE/c2 – его импульс, m – масса, c – скорость света. Из данного уравнения следует, что если частица движется со скоростью света, то ее масса должна равняться нулю, и наоборот: безмассовые частицы (например, фотоны) должны всегда двигаться со скоростью света и никак иначе. А вот если частица обладает ненулевой массой (к примеру, протон или электрон), то для того, чтобы двигаться со скоростью света, она должна обладать бесконечной энергией. Что, конечно же, невозможно.
Но почему для движения со скоростью света
