Почему нельзя превысить скорость света, и почему она именно такая

Эйнштейн однажды назвал скорость света «пределом скорости Вселенной». Он утверждал, что путешествие со скоростью, превышающей световую, нарушит принцип причинности. А это то же самое, что попадание пули в цель до того, как был спущен курок.

Даже ускорение до скорости света нарушило бы определенные фундаментальные энергетические условия. Однако благодаря этому стало бы возможным так называемое «путешествие во времени».

Что такое скорость света

Скорость света (или скорость фотона) в почти идеальном вакууме составляет ровно 299 792 458 м/с. Мы воспринимаем фотоны (свет), движущимися с такой скоростью, потому что они безмассовые или не имеют «веса», хотя и обладают кинетической энергией.

Фотон — частица света, квант электромагнитной (световой) энергии. Фотон является самой распространённой частицей во Вселенной.

Каждая частица в нашей Вселенной (включая фотоны) движется или «плывет» через то, что ученые называют «полем Хиггса». В результате этого взаимодействия частицы приобретают свою массу. Различные частицы взаимодействуют с полем Хиггса с разной силой, поэтому некоторые частицы тяжелее (имеют большую массу), чем другие. Фотоны также проходят сквозь поле Хиггса, но совершенно не взаимодействуют с ним, поэтому не имеют никакой массы.

Подробнее о поле Хиггса и бозоне Хиггса в статье «Большой адронный коллайдер простыми словами»

Поскольку фотоны не взаимодействуют с полем Хиггса, значит их ничего не ограничивает в скорости. Они могут двигаться с максимально возможной скоростью — своей собственной «световой» скоростью.

Почему скорость света не меньше и не превышает 299 792 458 м/с?

Потому, что эта точная скорость является фундаментальной константой нашей Вселенной. Именно такой максимальный показатель скорости был «установлен» после Большого взрыва. Есть и другие константы, благодаря которым Вселенная существует именно в таком виде: гравитационная постоянная, масса покоя протона и электрона, ускорение свободного падения и пр. За каждой константой закреплены определённые цифры, и будь они иными, то мир бы выглядел совсем иначе.

Почему ничего, кроме света, не может набрать такую скорость

Частицам, имеющим массу, требуется энергия для ускорения. Чем ближе к световой скорости приближается частица, тем больше энергии требуется, чтобы перемещаться быстрее. Это связано с тем, что сами частицы становятся более массивными по мере увеличения скорости. Короче говоря, чем быстрее вы движетесь, тем тяжелее становитесь. На малых скоростях это практически неощутимо, но при приближении к скорости света это становится резко заметным.

Получается, что если вы хотите ускорить хотя бы один электрон до световой скорости, вам потребуется бесконечное количество энергии, поскольку электрон становится бесконечно тяжелым. У света нет массы, поэтому такой проблемы у него не возникает.

Во всей Вселенной не хватит энергии, чтобы разогнать хотя бы один электрон до скорости света.

Как выглядит скорость света для самого света

Один из методов, который Эйнштейн использовал для формулирования своей специальной теории относительности, заключался в мысленной визуализации того, как Вселенная будет выглядеть с точки зрения фотона. Эйнштейн считал, что существование для фотона выглядело бы очень странно. Например, если бы вы были фотоном, время не имело бы для вас значения. Казалось бы, что все происходит мгновенно.

Рекомендуем: Что такое чёрная дыра

Проведём небольшой мысленный эксперимент. Действующие лица:

1. Обычный фотон, зародившийся на поверхности звезды в другой галактике на расстоянии около 4 миллиардов световых лет от Солнечной системы.
2. Наблюдатель на Земле, который во что бы то ни стало хочет увидеть свет именно с этим фотоном.

Человеку на Земле придётся ждать ровно 4 миллиарда лет пока фотон долетит до его сетчатки. Для фотона же всё выглядит так: в одно мгновение он был создан, а в следующее он отражается или поглощается поверхностью глазного яблока. Фотон не пережил течения времени — его рождение и смерть произошли мгновенно.

Скорость света можно воспринимать как «бесконечную скорость». Распространенное заблуждение — думать, что световая скорость такая же, как и любая другая конечная скорость. Скорость света конечна только с точки зрения наблюдателя; с точки зрения фотона она бесконечна. Если вы двигаетесь со скоростью, равной скорости света, вы можете отправиться куда угодно ровно за ноль секунд.

Ничто не может двигаться быстрее света, потому что скорость света можно рассматривать как бесконечную. Достичь или превзойти эту константу означало бы движение со скоростью бесконечно км/ч.