Как обогнать свет?
Вопрос, который будет обсуждаться в этой статье, можно сформулировать так:
Можно ли двигаться со скоростью, большей скорости света?
Второй вопрос таков:
Если можно двигаться в пространстве со скоростью большей скорости света, то как?
Если исходить из современных представлений, опирающихся на СТО (Специальную теорию относительности), то одним из ее постулатов является постулат ограничения скорости движения материальных тел скоростью света. Этот постулат является следствием другого постулата - инвариантности скорости света при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой. Такие преобразования координат и времени называются преобразованиями Лоренца. В Общей теории относительности (ОТО) рассматриваются некоторые хитрые возможности (достаточно умозрительные) обойти эти ограничения, что привело к идеи создания warp-двигателей. Вопрос о доверии к этим выводам автоматически ведет к вопросу о справедливости СТО и ОТО. Есть ли серьезные претензии к этим теориям, даже если часть их выводов подтверждена экспериментами?
Обсуждение справедливости СТО и ОТО и части их наиболее важных проблем имеется на сайте, а также в статьях К столетию Общей теории относительности и Материя и пространство. Новая теория полей и частиц. Здесь сформулируем лишь самое главное возражение против этих теорий, которые фактически лишают их статуса правильных теорий, несмотря на их достижения и проверки, например, формулу $E=Mc^2$.
В первую очередь это касается самого пространства-времени - основного элемента этих теорий, на свойствах которого построены эти теории. Смысл этого возражения сводится к следующему. Пространство в классической механике является лишь математической моделью расстояний между материальными телами. Действительно, когда мы производим какие-либо измерения расстояний с помощью линеек или лазерных дальномеров, то расстояния всегда сопоставляются с точками материальных тел. Если концы линейки вроде бы определяют расстояния между точками пустого пространства, то на самом деле измеренное расстояние - это расстояние между концами материального тела - самой линейки. Точно также лазерные дальномеры или радары измеряют расстояния от излучателя до материальной точки, отражающей свет или радиоволны. Затем мы просто экстраполируем наши измерения, связанные с материальными телами в область, где этих тел нет - в пустоту. Поэтому в классической механике, а затем и в СТО и ОТО, эта ситуация переносится без изменений.
Это же самое касается и времени. Время измеряется часами по некоторым событиям, связанным с материальными телами. В интервалах между событиями мы используем модель равномерного течения времени, поскольку никаких измерений времени в этом интервале не производится. Таким образом, в классической механике, СТО и ОТО пространство и время не материальны и являются математическими моделями. В классической механике этот факт не играет существенной роли, поскольку кроме самой математической модели пространство и время не имеют никаких других физических свойств. И в соответствии с этим не оказывают на движение материи никакого влияния.
В СТО и ОТО ситуация радикально меняется. Пространство-время, будучи математической моделью, наделяется физическими свойствами, которые влияют на движение материальных тел. Масса тела при увеличении скорости с точки зрения лабораторной системы отсчета увеличивается не потому, что к этому телу добавляется что-то извне, а только за счет того, что такими свойствами обладает само пространство-время. Но это пространство-время само по себе не обладает при этом ни одним из атрибутов материальности - ни массой, ни энергией. Оно не является ни материей и даже ни полем. В ОТО пространство-время дополнительно обладает еще и кривизной, которая объясняет таким образом поле тяготения. Но само оно по себе опять не имеет никаких атрибутов материи. Именно это приводит к появлению парадоксов и невозможности объединить ОТО с квантовой теорией. Последняя работает только с объектами, которые обладают энергией.
Перечислять все проблемы, которые возникают в СТО и ОТО, в этой статье не будем. А зададимся вопросом, если СТО и ОТО - неправильные теории, то почему мы не наблюдаем в природе повсеместно процессов, которые происходят со скоростью, большей скорости света? Что препятствует появлению в природе скоростей больше скорости света? Ответ на этот вопрос можно усмотреть в сравнении процессов, которые должны происходить с движением материальных тел при приближении их скорости к скорости света с аналогичными процессами в сплошных средах.
Одним из наиболее широко известных процессов такого рода является процесс, происходящий в случае приближения скорости самолета к скорости звука. Явления, происходящие в этом случае, называют обычно звуковым барьером. Если самолет будет плавно наращивать скорость своего движения в газе, то при приближении к скорости звука вся энергия двигателей будет расходоваться на излучение звуковых волн. В результате самолет не может преодолеть этот звуковой барьер. Для его преодоления используется режим форсажа, когда самолет "скачком'' ускоряется так, что вокруг него возникает ударная звуковая волна, а самолет оказывается в области пониженного давления. В этом случае самолет движется быстрее скорости звука, а работа двигателей расходуется на поддержание ударной волны вокруг самолета.
Еще более наглядный пример подобного барьера связан с реальной историей испрытания нового быстроходного эсминца в еще царской России в акватории Финского залива. История этого явления описана была в замечательной книге "Волны вокруг нас" Кадомцева Б.Б. и Рыдника В.И. Суть происходящего сводилась к следующему. Эсминец на испытаниях должен был продемонстрировать максимальную скорость движения примерно в 40 узлов, т.е. примерно 70 км/час. Но при полной нагрузке котлов скорость эта не увеличивалась больше 30 узлов, т.е. не больше 55 км/час. Этот казус происходил на глазах самого Николая II, что вызывало у капитана эсминца желание выжать из котлов все, что можно. Как описывали свидетели, котлы раскалились до уровня, за которым мог последовать взрыв, а за кормой эсминца, что очень примечательно для нашего обсуждения, появилась гигантская по высоте, так называемая, спутная волна. Испытания прекратили, а объяснения дал замечательный русский, а затем и советский математик, механик и кораблестроитель А.Н. Крылов. Физика такого скоростного барьера состоит в том, что в условиях небольшой глубины жидкости $H$ волновые течение жидкости подчиняются уравнениям, аналогичным электромагнитным волнам в однородной среде. Скорость таких волн рана величине $v_{cr}=\sqrt{gH}$, где $g$ - ускорение свободного падения. Корабль, двигаясь по поверхности жидкости, создает волны, движущиеся как раз со скоростью $v_{cr}$. Если плавно набирать скорость, то двигатель корабля будет расходовать свою энергию на излучение волн и не сможет превысить ее. Это и произошло с упомянутым эсминцем. Глубина моря в Финском заливе в месте, где проводились испытания, не превосходит 30 м. Поэтому $v_{cr}\simeq\sqrt{300}\simeq 17$ м/с или порядка $34$ узлов или $60$ км/час. Впоследствии испытания произвели в более глубокой части Балтийского моря, и в этом случае они прошли успешно.
 |
| Рис. 1. Спутная волна за кормой и ее рост при приближении к критической скорости |
Этот пример очень показателен в связи с возможным объяснением барьера скорости света. В СТО при приближении скорости тела к скорости света его масса растет неограниченно. В описанном эксперименте суммарная масса корабля и спутной волны также будут расти, формально, неограниченно при приближении скорости корабля к $v_{cr}$. Остается понять, что же является средой, когда мы говорим о движении тел в пространстве? Ответ на этот вопрос состоит в том, что пространство, которое наделяется свойством кривизны в ОТО, является само по себе материальным. Можно провести аналогию между нашим трехмерным пространством и "пленкой", вложенной в пространство большего числа измерений, самое простое - размерности 4. В том, что такое пространство является неплоским, ОТО оказывается справедливой. Такую идею выдвигал еще до Эйнштейна Клиффорд, который полагал, что вся наблюдаемая материя есть не что иное, как волны на поверхности этой пленки или, возможно, границы раздела типа вода-воздух, но в пространстве размерности 4. Из чего состоит эта пленка мы не знаем. Но ее геометрические формы образуют то, что мы считаем элементарными частицами. Эта пленка не является ни эфиром, ни квантовым вакуумом. Это что-то совершенно новое, что еще предстоит описать, измерить и понять.
Таким образом, с точки зрения такой теории то, что мы называем материальными телами и веществом, само является волнами на этой пленке. Электромагнитные волны - это естественные волны самой пленки, как волны жидкости и газа в описанных выше явлениях. Когда материальное тело, фактически, являясь волной, приближается к скорости света, то вокруг нее, по всей видимости, начинает формироваться что-то подобное спутной волне, масса которой растет. Законы роста этой массы, скорее всего, отличаются от того, как это описано в СТО, но, возможно, не очень существенно.
Тогда возникает вопрос: Как можно преодолеть этот барьер? Раз мы сами являемся волнами в этой пленке, то как избежать роста массы или роста излучения электромагнитных волн?
Фантасты и инженеры, раздумывая о том, как долететь до звезд, придумали к настоящему времени множество различных способов создать корабли, скорость которых могла в теории приближаться к скорости света. Это, так называемые, фотонные звездолеты, скорость которых, естественно, не могла превышать скорость света. Поэтому путешествия к звездам, расположенным от нас на расстояния, хотя бы в десятки световых лет, должны были бы продолжаться по времени на Земле больше человеческой жизни. Это все определялось законами физики, основанной на СТО и ОТО. Фантастов и мечтателей это не устраивало. Поэтому были придуманы необъясняемые в фантастических романах различные нуль-пространства, над-пространства, пространственно-временные порталы и т.п.
Теории таких объектов в ОТО нет. На роль таких объектов в ОТО претендуют черные дыры и кротовые норы. В недавней истории были придуманы в рамках ОТО так называемые warp-двигатели и, соответственно, звездолеты, которые могут двигаться со скоростью, большей скорости света. Но, как уже это кратко обсуждалось выше, ОТО в основе своей является хорошей математической теорией, но не физической. Поэтому ожидать, что идея warp-двигателя окажется реальной, довольно сложно. Что же тогда может предложить новая теория пространства как материальной пленки?
На этот вопрос еще предстоит ответить физике и математике. Но размышляя о различных возможностях, которые могут служить ответом на поставленный вопрос, можно указать пока достаточно экзотический по современным представлениям вариант движения тел. Этот вариант обходит ограничения в скорости волн, равных скорости света в пространстве-пленке, не приводит к росту массы тел при движении и не противоречит тому, что все материальные тела - это отдельные области пространства-пленки. Такое перемещение иллюстрирует анимация, приведенная на рис. 2.
 |
| Рис. 2. Перемещение мини-Вселенной в дополнительном измерении |
Поскольку пленка находится внутри пространства четырех измерений, которое, по всей видимости должно быть в некотором смысле пустым, то можно предполагать, что в этом объемлющем пространстве можно двигаться со скоростью, большей скорости света и, возможно, во много раз быстрее.
Чтобы попасть в это пространство, независимо от нашей общей для Вселенной пленки, мы должны создать свою мини-Вселенную, оторваться от основной Вселенной, переместиться вдоль нее на нужное расстояние, а затем вернуться в большую Вселенную, соединившись с ней заново. Все это иллюстрирует рис. 2 на основе двумерного аналога описанного путешествия. На рис. 3 показано то, как должно выглядеть такое путешествие для наблюдателя в нашем трехмерном пространстве. Условно корабль исчезает из нашего мира, а затем вновь возвращается в него.
 |
| Рис. 3. Перемещение через дополнительное измерение с точки зрения земного наблюдателя |
К сожалению, на сегодняшний день описанный способ передвижения пока является чистой гипотезой, согласованной в общих чертах с новой теорий пространства и материи. Но этот вариант дает надежду на то, что мы на самом деле сумеем перемещаться между звездами и галактиками за время, сопоставимое с месяцами, неделями, часами, а то и минутами.
Но такой способ открывает и другую возможность - перемещаться к другим, возможно, существующим в объемлющем четырехмерном пространстве Вселенным. В таком случае можно будет с полным осознанием произносить лозунг -
Вперед к другим мирам!
- Войдите на сайт для отправки комментариев
- 715 просмотров
Тема о скорости света совершенно необъятная. Она породила в науке много идей, но и сейчас вызывает кучу вопросов.
Один из вопросов к Вашей статье. Вы пишите:
"Поскольку пленка находится внутри пространства четырех измерений, которое, по всей видимости, должно быть в некотором смысле пустым, то можно предполагать, что в этом объемлющем пространстве можно двигаться со скоростью, большей скорости света и, возможно, во много раз быстрее."
Значит ли это, что Вы допускаете,
что помимо материального пространства есть ещё и нематериальная пустота и возможность движения в ней материальных объектов?
Уважаемый Анатолий Михайлович!
Ваш вопрос, можно сказать, в точку. Обозначенную Вами прблему приходится как-то трактовать. Но пока сказать по этом поводу можно мало чего. В предыдущем сообщения писал, что в классической механике пространство - математическая модель всех доступных измерений расстояний физическими приборами.
Вопрос был в том - что же находится между материальными телами - пустота? Т.е. что-то нематериальное или там что-то есть? Декарт утверждал, что "природа не терпит пустоты". Ньютон считал, что пустота возможна, но "гипотез он не изобретает", т.е. отказывался делать окончательные выводы.
В ситуации, о которой идет речь в предлагаемой теории, об объемлющем пространстве информации нет вообще. Единственный материальный объект в нем, о котором мы знаем - это наше трехмерное пространство в форме гиперповерхности или пленки, или, возможно, границы раздела между какими-то средами. В предлагаемой новой теории все расстояния между особыми точками пространства проектируются на евклидову трехмерную плоскость (назовем ее базовой для определенности), вложенную также в объемлющее пространство. Фактически эта плоскость - модель инерциальной системы отсчета. Как следует из теории, для описания практически всех явлений достаточно считать, что базовая трехмерная гиперплоскость именно евклидова. В этом случае у нее нет никаких дополнительных физических свойств, поэтому ее можно на данной этапе вместе с объемлющим пространством считать нематериальной - пока это математические модели.
Вместе с тем, в этом объемлющем пространстве имеется, по крайней мере, один материальный объект - наше пространство. Возникает естественный вопрос о его природе. Что за суперматерия лежит в основе этого пространства, пока сказать не могу.
Можно лишь обозначить две очевидных возможности, которые, скорее всего, несут лишь часть реального положения дел. По аналогии с объяснением материи в нашем пространстве логично предположить, что
наше пространство - это какой-то элемент геометрии и топологии теперь уже четырехмерного пространства.
Тогда объемлющее пространство - не плоское в целом и имеет кривизну или что-то подобное. Можно следовать классической логике - есть пространство, а есть материя. Такая логика соответствует и классической физике, и СТО с ОТО. В этом варианте геометрия уже не столь важна. Геометрия не объясняет свойств материи. В реальности может быть нечто третье, что мы пока не очень понимаем и, главное, не имеет соответствующей математики.
В статьях я писал просто, что пока достаточно считать объемлющее пространство плоским (евклидовым) пространством четырех измерений без каких-либо физических свойств. Ваш вопрос заставил меня (в том числе для самого себя) постараться изложить проблему в нынешнем ее понимании более-менее ясно. Надеюсь, мои рассуждения дают представление о множестве новых проблем, которые неизбежно возникают вместе с новой теорией. И, на мой взгляд, это очень хорошо! Есть куда двигаться. Так же надеюсь, что в какой-то мере ответил на Ваш вопрос.
С уважением, Журавлев В.М.
Уважаемый Анатолий Михайлович!
Спасибо большое за Ваш комментарий. Собственно, я эту статью написал под Вашим влиянием. Всего несколько лет назад много общался со школьниками и студентами на популярных лекциях. Ездил в школы, университеты. Даже как-то в детский сад пригласили рассказать о Космосе. Сейчас, к сожалению, это время ушло. Самые замечательные слушатели в последнее время - это школьники 1-5 классов и пенсионеры. Время от времени меня приглашают на радио с беседами о Космосе и науке. Эти беседы, оказывается по отзывам, слушают до сих пор с интересом пенсионеры. Молодежь, по всей видимости, не жалует радио и телевидение.
Лекций с презентациями у меня набралось довольно много. И вот, когда Вы спросили про принцип причинности, а он в современной физике обосновывается через СТО, то вспомнил о лекции, которую читал несколько раз школьникам и студентам о полетах к звездам. Честно сказать, это была моя, так сказать, детская мечта и долгое время «движитель» моего интереса в науке. Фантастика в наше время была двигателем прогресса и мечты. Во многом мои поиски решения задач физики порождены были этими мечтами. К сожалению, пока не полностью сбывшимися.
В лекции я описывал то, как фантасты в 50-х и 60-х годах строили планы о полетах к звездам с помощью фотонных звездолетов. О том как эти идеи были ниспровергнуты трудностями таких полетов, как пытались решить проблемы в наше время. Но и тогда, и сейчас остается проблема преодоления скорости света. В общем уже в фантастике 60-х-70-х годов стали придумывать какие-то перемещения со скоростью, большей скорости света: нуль-переходы, надпространство, порталы и т.п. Но, когда в работах у меня стали вырисовываться более-менее четкие черты своей теории, то я в лекции вставил анимацию, иллюстрирующую то, как можно обогнать свет. Ваше внимание к этой теме подтолкнуло меня выставить на сайт обновленную версию идеи о перемещении быстрее скорости света, правда, без рассказа о фотонных звездолетах. Так что спасибо Вам за интерес и внимание.
Что касается отношения к альтернативам ОТО в научной среде, то это, как мне кажется, повторяется в истории регулярно. Так было с Галилеем, Коперником, Джордано Бруно... Их идеи считались ересью. Так было с идеями Планка, Больцмана, которые тоже сначала отвергали. Так что жаловаться на современную ситуацию довольно сложно.
Вопрос только в том, что сейчас наука формально декларирует отказ следования авторитетам, советует сомневаться во всем, но как дело доходит до ситуации с финансированием и идеологией, то все эти благие советы погружаются в туман "правильной науки". Много лет назад смотрел беседу по телевизору с Я.Зельдовичем - светилом советской науки. Он произнес шокировавшую меня тогда фразу (почти дословно): "Общая теория относительности верна, потому что она верна. И других мнений быть не может." Это что-то из А.П. Чехова "Письмо к ученому соседу", хотя это было сказано, действительно, выдающимся ученым-ядерщиком и астрофизиком.
Я довольно много сталкивался с так называемыми альтернативщиками. Большинство их идей представляли собой некоторые в разной степени обоснованные или необоснованные догадки, а иногда действительно несуразные попытки что-то додумать в науке. Но, как правило, альтернативщики требовали - вот моя замечательная идея, ну а вы, физики, додумайте ее, только мой приоритет не забывайте. В этом отношении такая деятельность совершенно безопасна. Комиссия со лженаукой, как я понимаю, нужна была, чтобы отсечь всякие неправильные идеи от финансирования. Я сталкивался как-то с тем, что, как мне говорили, военные вкладывали деньги в полную авантюру, основываясь на пламенной страсти некоторых альтернативщиков. Но борьба с лженаукой - это очень удобный способ перераспределять финансовые потоки "куда надо". Поэтому полностью согласен с Вами, что эта деятельность, особенно с ОТО, наносит реальный ущерб попыткам что-то понять, когда трудности современной физики лезут из почти всех экспериментов. Как ни странно, мои статьи печатают в наших довольно престижных журналах, наверное, за счет строгой математики. Так что грех жаловаться уж совсем. Но реакции на них пока мало. Инерция в науке сильна.
К сожалению, современная школа устроена так, что школьникам не прививают желания познавать мир. Если у Вас есть круг школьников, кто горит новым знанием и наукой, то это очень здорово. Поэтому с благодарностью отношусь к Вашему интересу к моей деятельности.
Спасибо за информацию о Ваших наблюдениях за спутной волной. Мои школьные годы и начало научной деятельности прошли в Севастополе. Так что я тоже наблюдал подобные явления, особенно на парадах с торпедными катерами. И вот при подготовке к лекциям по теории волн, читая небольшую книгу "Волны вокруг нас", о которой упоминал в статье, наткнулся на описание роста спутной волны на испытаниях эсминца на мелкой воде. И мне показалось, что это может быть наглядным (но неполным) объяснением того, что происходит при приближении к скорости света. Вообще, книга "Волны вокруг нас" очень полезна для понимания школьниками волновых процессов в их разнообразии. Когда эта книга писалась, волны-убийцы как-то еще не были в научном тренде, как сейчас. Мне довелось участвовать в двух морских научных экспедициях еще в советское время в Атлантику. Волны во время штормов, надо сказать, вначале все кажутся убийцами. Но реально волн, которые называют сейчас волнами убийцами, мы не встречали.
Я посмотрел, пока еще не очень внимательно, Ваш сайт. У меня какая-то есть тайная любовь к геологии и геологам. Начинал я учебу на первом курсе МГУ по специальности Геофизика, но потом перешел на Физику. Сдавал, помню, зачет на первом курсе по типам землетрясений. Очень люблю до сих пор советские песни "Живем в комарином краю..", "Ты ушел на разведку в тайгу…" Иногда, глядя на вулканы, мне думается, что, если бы не физика - стал бы геологом. В космосе, думаю, геологи (лунологи, марсологи, ...) потребуются в большом количестве. До сих пор хочется побывать и на Луне, и Марсе и у других звезд. Но это, скорее всего, уже в другой жизни. А жаль. На Луне могли бы и побывать.
Еще раз спасибо за интерес к нашей работе и сайту.
С глубоким уважением, Журавлев В.М.
Уважаемый Виктор Михайлович, спасибо за Ваш ответ.
В стандартной космологической модели $\Lambda CDM$, основанной на ОТО, и теории Большого взрыва допускается «существование» пустого нематериального пространства. Оно не обладает энергией, может расширяться с бесконечной скоростью, искривляться под действием гравитирующих масс (посредством математического преобразования Лоренца), и, при этом, способно, изменять физическое движение космических тел, заменяя силу гравитационного взаимодействия, которое его искривило.
Выдвигаемый Вами Принцип материальности пространства:
Т.е. исключает возможность влияния нематериальной пустоты на физические тела и на процессы взаимодействия материальных тел. На мой взгляд, Принцип материальности пространства составит фундамент новой материалистической физики. Вместе с тем, как следует из Вашей теории,
То есть, Вы допускаете, что, теоретически, помимо материального пространства есть еще и пустота?
В принципе, доказать существование в природе несуществующего невозможно, так же как и доказать его отсутствие. За две с половиной тысячи лет истории науки философы, а затем физики привыкли к идее существования пустоты, как области пространства, в которой отсутствует видимые материальные тела. А если эта пустота может (согласно математическим преобразованиям ОТО) искривляться и влиять на процессы взаимодействия материальных физических тел, то это же здорово, и флаг ей в руки.
Обнаружили же небесные тела с помощью математических вычислений, а не только через непосредственное наблюдение. Так, французский математик Урбен Леверье математически обосновал наличие расхождений в движении Урана влиянием неоткрытой планеты, и по координатам предполагаемого местоположения неизвестной планет. Иоганн Галле в Берлинской обсерватории обнаружил Нептун почти точно в том месте, которое предсказал Леверье. Это открытие стало триумфом теории тяготения Ньютона, и продемонстрировало силу небесной механики.
Но ньютоновская механика не могла объяснить аномалию смещения перигелия Меркурия, тогда как ОТО точно предсказала величину смещения, что стало ключевым тестом для признания ОТО.
Вопрос о признании и значении пустоты во Вселенной зависит от мировоззрения, и в философии диалектического материализма на него уже дан ответ. В работе Фридриха Энгельса «Диалектика природы» пространство рассматривается как одна из основных форм существования материи, неразрывно связанная с движением и временем, и подчёркивается их объективный характер:
В развитие этой темы новый вопрос:
Известно, что скорость света в различных средах (твердой, жидкой и газообразной) меньше, чем в вакууме, из‑за взаимодействия фотонов с атомами вещества (орбитальными электронами) — поглощения и их последующего переизлучения. Чем «оптически плотнее» среда, тем сильнее замедление. В принципе, в абсолютной пустоте скорость света должна быть бесконечной, так как фотоны не встречают никакого сопротивления.
Заранее извиняюсь за дилетантскую постановку вопроса:
Если (без привлечения оценок и математических преобразований ОТО) представить космический вакуум материальной средой (типа эфира) и построить график с линиями распространения скорости света в зависимости от плотности среды (например, в логарифмическом масштабе), то какова будет плотность космического вакуума в точке пересечения этих линий?
С уважением,
Анатолий Беляев.
В школе на уроке физики, когда учитель сказал, что не существует скорости, большей скорости света, сразу возникла мысль, что не может быть такого запрета. И очень захотелось дождаться новых открытий в физике, чтобы постулат о максимальной скорости в природе был признан ограниченным.
В статье дается надежда, что всё-таки скорость света не предел. Пока нет реализации такой возможности даже в эксперименте, но уже есть, в каком направлении двигаться к этой цели.
Когда посмотрела в интернете более подробно о спутной волне (раньше не встречался такой термин), были подчеркнуты слова, что спутная волна образуется в узкости и мелководье. Может и наш мир, в котором мы живем, слишком узкостный и мелкий для пространства-времени и неограниченных скоростей Вселенной.