Alex Goreninov
октябрь 2017.
778

Почему скорость света не может быть больше, чем 300 000 км/сек?

Ответить
Ответить
Комментировать
0
Подписаться
4
6 ответов
Поделиться

Если вопрос состоит в том, почему вообще существует предел скорости света, то ответ состоит в том, что иначе света бы вообще не существовало. Если бы электромагнитная волна распространялась бесконечно быстро, то никакого колебания в волне бы не было, так как волна бы сразу улетала в бесконечность. А если нет электромагнитных волн, то нет фотонов, нет вообще переносчиков электромагнитного взаимодействия, и у вас тупо не образовалась бы Вселенная.

Другим более фундаментальным (и более научным) объяснением этого факта является то, что наше пространство и время нераздельно связаны. Искривление, сжатие/расширение происходит не только отдельно трёхмерного пространства, но всего четырёхмерного пространства (включая время). Соответственно, должен существовать некий размерный параметр, который бы обозначал связь пространства со временем. Совершенно логично, что этот параметр совпадает с максимально возможной скоростью движения, так как большие скорости обозначали бы нарушение этой самой связи.

Если же вопрос состоит в том, почему именно ~300,000 км/сек, а не, скажем, ~10,000 км/сек или ~5,000,000 км/сек - то никто этого не знает. Такой же вопрос можно задать относительно любой фундаментальной константы, почему масса бозона Хиггса именно такая, почему постоянная Планка такая и т.д. 

Теория не даёт ответов на эти вопросы. Но есть несколько фундаментальное размышление на эту тему, которое называется антропным принципом: если бы значения констант были бы другими, то мы бы не существовали и, соответственно, не смогли бы задавать этот вопрос. 

16
Прокомментировать

С точки зрения физики это некорректный вопрос. Вы привыкли считать, что в нашем мире глобально есть одно время, которое течет одинаково для всех, что по этому времени мы меряем скорость движения тел. То есть если взять много хороших часов и все их синхронизировать, то они и дальше вечно будут идти синхронно. Из школьной программы Вы знаете, что движение относительно. И если Вы летите, например, в самолете с задраенными окнами, невозможно определить летите Вы или нет, потому что все системы отсчета, движущиеся относительно какой-то одной, где свободные тела не ускоряются, равноправны (они называются инерциальными). Такая картина мира (галилеева механика) господствовала в физике до начала 20 века. Тогда очень много что произошло и в итоге от этой картины пришлось отказаться. А что же происходит на самом деле и что же было не так?

А на самом деле есть свет, и он ведет себя совсем контринтуитивно. Его скорость всегда равна скорости света. Например, Вы сидите на берегу реки, скорость течения 1 м/с. По реке плывет катер по течению, на спидометре 10 м/с. С какой скоростью относительно Вас движется катер? Очевидно, 11 м/с. А вот свет ведет себя не так. Если вы посветите фонариком, то вы измерите скорость света около 300000 км/с. И на катере пассажиры измерят такую же скорость. И даже если над вами будет самолет лететь, на самолете скорость того же лучика света будет 300000 км/с. И на спутнике, который летит со скоростью, скажем, 8 км/с относительно Земли, скорость того же самого лучика будет не 299992 км/с, а те же 300000 км/с. Вот так вот. Это и называют постоянством скорости света. 

Как такое вообще может быть? Сложный вопрос, на него отвечает теория относительности. Дело в том, что механика Галилея не верна. Не существует абсолютной шкалы времени, не всегда можно синхронизировать часы. Например, если кто-то относительно Вас движется с большой скоростью, Вы будете видеть, что время для него идет медленнее, как будто пленку пустили со скоростью не 24 кадра в секунду, а 20 или меньше. Он этого не почувствует и понять про себя не сможет. Это чисто относительный эффект. То же и для него, Вы, как ни странно, тоже будете выглядеть заторможенно. Ситуация же симметрична, вы тоже относительно него движетесь. И это наблюдают на опыте, например нейтрон, с периодом полураспада 16 минут, живет гораздо дольше, если его ускорить до больших скоростей. Как раз потому что для наблюдателей его время течет медленнее. И это не единственный эффект. Например, одновременные для Вас события не будут одновременны для движущегося наблюдателя и наоборот. Движущийся наблюдатель будет казаться сжатым в направлении движения. И прочее, прочее, прочее. Все эти странные вещи происходят из-за того, что как шкалы расстояния, так шкалы времени относительны и разные для разных наблюдателей с разными скоростями. Но тем не менее все инерциальные системы отсчета равноправны. Все зависит только от относительных скоростей и движений.

Подробнее, если Вам интересно, стоит уже целенаправленно вникать в специальную теорию относительности. Ее математика несильно выходит за рамки школьной программы. Можно ее количественно понять исключительно с помощью школьной алгебры, даже производные не нужны. Стоит почитать, например, соответствующие фейнмановские лекции из второго тома или из всяких сборников. Или любой более-менее сносный университетский учебник механики (механику проходят на первом семестре, первого курса, ничего сверхсложного в ней нет). Может есть еще какие-то хорошие книги, но сходу не назову.

Так вот ответ на Ваш изначальный вопрос в том, что когда тела движутся относительно Вас с большой скоростью, механика для них совсем другая, непохожая на обычную, совсем неинтуитивная и неочевидная. И для всех наблюдателей скорость света постоянна. Поэтому не может быть наблюдателя, который движется со скоростью света, для него свет бы покоился и получилось бы противоречие. А для света вообще невозможно ввести понятие времени, можно только внешне его описывать так. Для него время как бы бесконечно замедленно, стоит. Критерием является масса, все массивное живет как мы, с постоянной скоростью света относительно себя. Все у чего нет массы покоя для нас всегда движется со скоростью света, но понятия времени для таких объектов не существует. Так что можно ускоряться, ускоряться и ускоряться. И всегда измерять ту же скорость у света. А с точки зрения, например, Земли, Ваша скорость будет приближаться к скорости света, но никогда ее не достигнет. А Ваше время будет замедляться. И в направлении движения Вы будете сжиматься. И еще много всего интересного.

3
Прокомментировать

Когда я был ребёнком, я часто задумывался, какую наибольшую скорость может развить, например, Тойота моего отца, если пренебречь силой трения деталей автомобиля друг с другом, с дорожной поверхностью и воздухом, а также дать Тойоте бездонный бак и нескончаемое количество времени. Бесконечную - к такому ответу я приходил раз за разом, пока мой детский мозг не столкнулся с крайне неинтуитивным принципом скорости света - абсолютным скоростным лимитом во вселенной.

Спросить у физика о том, почему частицы с нулевой массой покоя не могут перемещаться со скоростью, превышающей 299 792 км/с, все равно что спросить, почему квантовые вычисления включают в себя вероятности. Иными словами, константная скорость света является аксиомой физики, по крайней мере на нашем веку.

Эйнштейн, вдохновившись теорией электромагнетизма Максвелла, первым пришёл к выводу, что скорость передвижения света в вакууме де-факто является максимально достижимой скоростью во вселенной. Специальная теория относительности, как и мы с вами, не существовали бы, не будь скорость света постоянной и предельной.

В данный момент не существует никакого теоретического объяснения тому, почему фотоны движутся именно на той скорости, на которой они движутся, и само утверждение о постоянности скорости света является фундаментальным.

Однако, постулаты в физике не всегда остаются постулатами. Например, законы передвижения Ньютона считались недоказуемыми, пока их не объяснили квантовой механикой (теорема Эренфеста). Так что, быть может мы, или наши далекие потомки приблизятся к объяснению того, что сейчас считается фундаментальным.

3
Прокомментировать
Читать ещё 3 ответа
Ответить