Ми частенько говоримо про те, що швидкість світла максимальна в нашому Всесвіті, і що немає нічого, що могло б рухатися швидше за швидкість світла у вакуумі. І вже тим більше - ми. Наближаючись до швидкості світла, об'єкт набуває масу і енергію, яка або його руйнує, або суперечить загальній теорії відносності Ейнштейна. Припустимо, ми повіримо в це і будемо шукати обхідні шляхи (на кшталт створення варп-двигуна або будемо розбиратися в парадокси квантової механіки ), Щоб летіти до найближчої зірки не 75 000 років, а пару тижнів. Але оскільки мало хто з нас має вищим фізичною освітою, незрозуміло: чому на вулицях говорять, що швидкість світла максимальна, постійна і дорівнює 300 000 км / с?
Є багато простих і інтуїтивних пояснень, чому все так, але їх можна починати ненавидіти. Пошук в Інтернеті виведе вас на поняття «релятивістської маси» і на те, що вона вимагає більше сил для прискорення об'єкта, який і так рухається з високою швидкістю. Це звичний спосіб інтерпретації математичного апарату спеціальної теорії відносності, але він вводить багатьох в оману, і особливо вас, наші дорогі читачі. Оскільки багато з вас (та й нас теж) пробують високу фізику на смак, немов занурюючи один палець в її солону воду, перш ніж увійти скупатися. В результаті, Всесвіт стає значно складнішою і менш красивою, ніж є насправді.
По-перше, давайте визначимо, що такий напрямок, щоб чітко позначити своє місце. «Вниз» - це напрямок. Воно визначається як напрямок, в якому падають речі, коли ви їх відпускаєте. «Вгору» - це напрям, протилежний напрямку «вниз». Візьміть в руки компас і визначте додаткові напрямки: північ, південь, захід і схід. Всі ці напрями визначаються серйозними дядьками як «ортонормованій (або ортогональний) базис», але про це зараз краще не думати. Давайте припустимо, що ці шість напрямків є абсолютними, оскільки вони будуть існувати там, де ми будемо розбирати наш складне питання.
А тепер давайте додамо ще два напрямки: в майбутнє і в минуле. Ви не можете з легкістю рухатися в цих напрямках за власним бажанням, але уявити їх для вас має бути досить просто. Майбутнє - це напрямок, де настає завтра; минуле - напрямок, де знаходиться вчора.
Ці вісім основних напрямків - вгору, вниз, північ, південь, захід, схід, минуле і майбутнє - описують фундаментальну геометрію Всесвіту. Кожну пару цих напрямків ми можемо назвати «виміром», тому ми живемо в чотиривимірний Всесвіту. Інший термін для визначення цього чотиривимірного розуміння буде «простір-час», але ми постараємося уникнути використання цього терміна. Просто запам'ятайте, що в нашому контексті «простір-час» буде рівнозначно поняттю «Всесвіт».
Завітайте на сцену. Давайте подивимося на акторів.
Сидячи зараз перед комп'ютером, ви перебуваєте в русі. Ви його не відчуваєте. Вам здається, що ви в стані спокою. Але це тільки тому, що все навколо відносно вас теж рухається. Ні, не подумайте, що ми говоримо про те, що Земля крутиться навколо Сонця або Сонце рухається по галактиці і тягне нас за собою. Це, звичайно, так, але ми зараз не про це. Під рухом ми маємо на увазі рух в напрямку «майбутнє».
Уявіть, що ви перебуваєте в вагоні поїзда з закритими вікнами. Ви не можете бачити вулицю і, припустимо, рейки настільки бездоганні, що ви не відчуваєте, їде поїзд чи ні. Тому, просто сидячи всередині поїзда, ви не можете стверджувати, їдете ви чи ні насправді. Вигляньте на вулицю - і зрозумієте, що пейзаж проноситься мимо. Але вікна закриті.
Є тільки один спосіб дізнатися, рухаєтеся ви чи ні. Просто сидіти і чекати. Якщо поїзд стоятиме на станції, нічого не відбудеться. Але якщо поїзд рухається, рано чи пізно ви приїдете на нову станцію.
У цій метафорі вагон є все, що ми можемо побачити в навколишньому світі - будинок, кота Ваську, зірки на небі і т.п. «Наступна станція - Завтра».
Якщо ви будете сидіти нерухомо, а кіт Васька безтурботно спати свої покладені на добу годинник, ви не відчуєте руху. Але завтра обов'язково прийде.
Ось що значить рухатися в напрямку майбутнього. Тільки час покаже, що правда: рух або стоянка.
Поки вам повинно було досить просто все це уявляти. Можливо, складно думати про час як про направлення і вже тим більше про себе - як про що проходить крізь час об'єкті. Але ви зрозумієте. Тепер включите уяву.
Уявіть, що коли ви їдете в своєму автомобілі, трапляється щось страшне: відмовляють гальма. За дивним збігом в той же момент заклинює газ і коробку передач. Ви не можете ні прискоритися, ні зупинитися. Єдине, що у вас є - рульове колесо. Ви можете змінити напрямок руху, але не його швидкість.
Звичайно, перше, що ви зробите, це спробуєте в'їхати в м'який кущ і як-небудь акуратно зупинити автомобіль. Але давайте поки не будемо користуватися таким прийомом. Просто зосередимося на особливостях вашого несправного автомобіля: ви можете змінити напрямок, але не швидкість.
Ось так ми рухаємося крізь Всесвіт. У вас є кермо, але немає педалі. Сидячи і читаючи цю статтю, ви котитеся в світле майбутнє на максимальній швидкості. І коли ви встаєте, щоб зробити собі чайку, ви змінюєте напрямок руху в просторі-часі, але не його швидкість. Якщо ви будете дуже швидко рухатися по простору, час буде текти трохи повільніше.
Це легко уявити, намалювавши пару осей на папері. Ось, яка буде йти вгору і вниз - це вісь часу, вгору - значить в майбутнє. Горизонтальна вісь представляє простір. Ми можемо намалювати тільки один вимір простору, оскільки аркуш паперу двухмерен, але давайте просто уявимо, що це поняття відноситься до всіх трьох вимірів простору.
Намалюйте стрілку з початку осі координат, де вони сходяться, і направте її вгору вздовж вертикальної осі. Неважливо, наскільки довгою вона буде, просто майте на увазі, що у неї буде тільки одна довжина. Ця стрілка, яка зараз спрямована в майбутнє, є величину, яку фізики називають «чотири-швидкістю». Це швидкість вашого пересування по простору-часу. Прямо зараз ви перебуваєте в нерухомому стані, тому стрілка спрямована тільки в майбутнє.
Якщо ви хочете рухатися крізь простір - направо по осі координат - вам потрібно змінити вашу чотири-швидкість і включити горизонтальний компонент. Виходить, вам потрібно повернути стрілку. Але як тільки ви це зробите, ви помітите, що стрілка вже не так впевнено вказує наверх, в майбутнє, як до цього. Тепер ви рухаєтеся крізь простір, але вам довелося пожертвувати рухом в майбутньому, оскільки стрілка чотири-швидкості може тільки обертатися, але ніколи не розтягуватися або стискатися.
Звідси починається знаменитий ефект «уповільнення часу», про який говорять всі, хоч трохи присвячені в спеціальну теорію відносності. Якщо ви рухаєтеся в просторі, ви не рухаєтесь в часі так швидко, як могли б, якби сиділи на місці. Ваші годинник буде відраховувати час повільніше, ніж годинник людини, яка не рухається.
А тепер ми підходимо до вирішення питання, чому фраза «швидше за світло» не має сенсу в нашій всесвіту. Дивіться, що відбувається, якщо ви хочете рухатися по простору якомога швидше. Ви повертаєте стрілку чотири-швидкості до упору, поки вона не буде вказувати уздовж горизонтальної осі. Ми пам'ятаємо, що стрілка не може розтягуватися. Вона може тільки обертатися. Отже, ви збільшили швидкість в просторі наскільки це можливо. Але стало неможливим рухатися ще швидше. Стрілку нікуди повернути, інакше вона стане «пряміше прямого» або «горизонтальнее горизонтального». Ось до цього поняття і прирівнювати «швидше за світло». Це просто неможливо, як нагодувати трьома рибками і сім'ю хлібами величезний народ.
Ось чому в нашій всесвіту ніщо не може рухатися швидше за світло. Тому що фраза «швидше за світло» в нашій всесвіту еквівалентна фразі «пряміше прямого» або «горизонтальнее горизонтального».
Так, у вас залишилося кілька питань. Чому вектори чотири-швидкості можуть лише обертатися, але не розтягуватися? На це питання є відповідь, але він пов'язаний з инвариантностью швидкості світла, і ми залишимо його на потім. І якщо ви просто повірите в це, то будете трохи менше поінформовані з цього питання, ніж самі блискучі фізики, коли-небудь існували на нашій планеті.
Скептики можуть засумніватися, чому ми використовуємо спрощену модель геометрії простору, кажучи про евклідова вирощених і колах. У реальному світі геометрія простору-часу підпорядковується геометрії Маньківського, а повороти є гіперболічними. Але простий варіант пояснення має право на життя.
Як і просте пояснення того, що таке бозон Хіггса .
Чому вектори чотири-швидкості можуть лише обертатися, але не розтягуватися?