‹ Назад

Сьогодні в нас буде дуже цікава тема. Ви замислювались колись, що ми побачимо на власні очі, якщо зможемо рухатися на швидкості світла. Сподіваюсь ви побудуєте цей ментальний експеримент разом зі мною! Отже, давайте разом вирушимо на уявному космічному кораблі, який прискорюється від Землі, рухаючись все швидше і швидше. Що б ми побачили при постійному прискоренні? Які оптичні ефекти виникатимуть у цій подорожі? І насамкінець, що буде, якщо ми спробуємо перевищити швидкість світла, викривляючи простір-час, як у науково-фантастичних фільмах? Відповіді на ці запитання поступово приведуть нас до пізнання багатьох захоплюючих явищ нашого Всесвіту. Зокрема ми зануримося в суть спеціальної та загальної теорії відносності.

Стартуємо ми очевидно з нуля, тобто зі стану спокою. Ми завпускаємо двигуни і починаємо поступовий рух з прискоренням. Одразу домовимося, що наші ресурси безмежні і ми можемо прискорюватись поки нам це не набридне. Поступово набираючи швидкість, ми віддаляємось від нашого рідного космічного дому. Наша швидкість стає все більшою і більшою… Деякі з вас скоріш за все запитають, чи не стане навантаження на наш організм просто нестерпним за такої швидкості? Насправді ні, адже мова йде не про прискорення, а саме про швидкість.

Наведу приклад з життя. Я колись дуже часто користувався потягами, адже жив задалеко від місця свого навчання. Так ось, бували такі моменти, коли був момент довгої зупинки, я вже встигав і подихати на пероні, і випити кави, і залишалося лише дивитися у вікно. А на сусідній колії стояв потяг, що чекав свого відправлення у зустрічному напрямку. Отже, чи відчували ви колись своєрідну розгубленість, коли не розуміли який потяг їде, ваш чи сусідній? Ви просто не відчуваєте руху, коли все відбувається поступово, без різких поштовхів… І це в повній мірі відноситься до нашого уявного транспортного засобу. Якщо тиснути на важіль акселератору без фанатизму, ми не відчуємо жодної різниці між станом спокою і швидкістю світла.

Але ж нам всім очевидно, що на великій швидкості небезпечно не те, що відбувається всередині, а те що відбувається зовні. Зіткнення на високій швидкості. Звичайна порошинка завдасть колосальної шкоди, якщо вдарить нас. Але ж це ментальний експеримент, тому, на щастя, наш корабель оснащений силовим полем, яке відштовхує небезпечні об’єкти та дозволяє нам вільно блукати космосом. 

Чому зорі тікають від нас?

Коли ми вже доволі сильно прискорюємося, з’являється перший оптичний ефект, зорі перед нами, до яких ми наближаємося, ніби поступово віддаляються, а небо перед нами стискається.

Для розуміння наведу простий приклад, який буде відомим більшості з вас. Ви їдете в автомобілі. І тут починається дощ. Що відбувається? Вам здається, що краплі дощу б'ються в лобове скло ніби горизонтально. І чим швидше ви рухаєтесь, тим сильнішим буде ефект.

З нашим космічним кораблем оптичний ефект абсолютно аналогічний. Світло зір здається іншим, коли ми перебуваємо в русі. Це так звана аберація світла. Коли світло фокусується перед нами, його інтенсивність зростає. Тоді як позаду нас небо, здається, розширюється і стає темнішим. Аберація світла призводить до іншого дивного явища. 

Уявімо, що ми рухаємося крізь величезну сітку, що представляє тканину простору. зазвичай ми бачили б пряму сітку, що складається з прямих ліній, що сходяться перед нами завдяки перспективі.

Однак, через вже розглянуте явище аберації, спотворюється зображення неба навколо нас. Здається, що сітка звужується вперед, а прямі лінії згинаються. Грубо кажучи, якби ми проходили повз об’єкт, він виглядав би трохи нахиленим у нашому напрямку. Оскільки ми рухаємося дуже швидко, зображення предметів перед нами здаються стиснутими, а перспектива виглядає дуже спотвореною.

Подорожі в часі

Ви напевне чули такий вираз, хоча чому напевне, точно, адже я не раз казав про це. Отже чим далі ми дивимося в космос, тим далі ми рухаємося в минуле. Ай справді, світло, яке ми отримуємо від далекої зорі, має подолати мільярди кілометрів, а ця подорож, очевидно, не є миттєвою, і навіть світлу потрібен деякий час для подорожі. В результаті ми бачимо зорю такою, якою вона була в минулому, коли вона випромінювала це світло. Але хто знає, як це могло змінитися відтоді?

І ось на нас діє те саме явище, коли ми віддаляємося від Землі, адже світлу планети потрібно все більше і більше часу, щоб досягти нас. Ми дивимося на нашу рідну планету і бачимо, що люди на Землі еволюціонують уповільнено. Це відомий багатьом ефект Доплера, який, якщо дуже грубо, каже про те, що показники годинника на Землі потребують усе більше часу, щоб досягти нас. 

Ми бачимо світлові промені ніби в уповільненій зйомці, а їх інтенсивність ніби слабшає, коли зображення планети зміщується в бік червоного кольору. Але це коли дивитися у дзеркало заднього виду, а перед нами протилежний ефект, корабель наздоганяє світло, і зорі, здається, стають яскравішими, вони змінюються в бік блакитного кольору, а їхні умовні годинники, здається, рухаються швидше.

Але тут варто згадати про цікавий нюанс. Ми вважаємо, що маючи достатньо точне обладнання, ми могли б виміряти аберацію та ефект Доплера від початку нашого прискорення в космосі. Однак, якби ми вирішили завершити нашу подорож і повернутися на Землю, ці ефекти не вплинули б на нас жодним чином. Адже вони є лише оптичною ілюзією, адже ми по особливому отримуємо світло під час руху. 

Але через кілька сотень днів (ми ж не поспішаємо прискорюватися), оскільки наші двигуни штовхають нас все швидше, корабель починає наближатися до швидкості світла. На таких швидкостях деякі явища більше не будуть просто оптичними ілюзіями, почнуться реальні фізичні ефекти з незворотними наслідками. Саме тут в повну силу починає діяти спеціальна теорія відносності.

Теорія відносності на швидкості світла

Перший наслідок теорії відносності відомий як уповільнення часу. Наш Всесвіт, ну ми говоримо зараз про так би мовити загальноприйняту фізику, — це величезна чотиривимірна тканина, яка називається простір-час, що складається з трьох вимірів простору та одного виміру часу. У просторі-часі всі тіла рухаються за певною траєкторію, оскільки всі вони просуваються до свого майбутнього. 

До свого зльоту наш корабель рухався так само, як Земля, до майбутнього. Але, набираючи швидкість і все швидше й швидше віддаляючись від Землі, наша траєкторія поступово відхилялася від траєкторії нашої рідної планети. Траєкторія часу, більше не узгоджується з траєкторією часу людей на землі. І от саме з цього моменту, якби ми вирішили повернутись і повернулися, наші годинники вимірювали б інший час, і ми б постаріли менше, ніж земляни.

Інший ключовий наслідок спеціальної теорії відносності називається скороченням довжини. Коли тіло рухається близько до швидкості світла, його довжина скорочується в напрямку його руху. З точки зору космічного корабля весь Всесвіт рухається назад. Для нас Всесвіт стягується вздовж нашого напрямку руху. Тому тривалість подорожі до місця призначення стає коротшою, ніж очікувалося. Ми більше не говоримо про оптичні ефекти, ми говоримо про фізичне та конкретне явище. Якби ми спробували досягти далекої зорі, подорож справді здалася б нам коротшою. 

Таким чином, всупереч поширеній помилковій думці (точніше не загалом помилковій, а, якщо можна так сказати, наполовину), насправді можна подолати тисячі світлових років всього за кілька секунд. А у випадку, коли ми б рухалися майже зі швидкістю світла, подорож здалася б нам навіть миттєвою. Ну і образу поясню, в чому та сама умовна половина правди - для людей на Землі минуло б кілька тисяч років.

Скорочення довжини є цілком реальним явищем, однак візуально його важко побачити. Зрозуміти, чому це саме так, уявіть собі, що ми наближаємося до умовної планети. Оскільки вона дуже швидко рухається до нас, розмір планети скорочується, але пам’ятайте, що чим далі ми дивимося в космос, тим далі ми дивимося в минуле. І з нашої точки зору задня, якщо можна так сказати, частина планети розташована далі в космосі, ніж передня частина планети. Зображенню, яке ми отримуємо з задньої частини планети, знадобилося більше часу, щоб досягти нас, тому ми бачимо його таким, яким воно було в минулому.

Отже навіть якщо вона фактично стиснута для нас, планета не виглядає так, тому що ми отримуємо зображення її спини із затримкою. Це явище ми вже згадували - це обертання Террелла Пенроуза. Коли ми рухаємося дуже швидко і дивимося вбік, краї об’єкта навколо нас здаються коротшими в напрямку руху. Це можна інтерпретувати або як скорочення довжини, або як обертання та зміну перспективи. З тієї ж причини людина, яка спостерігає за нами за допомогою дуже потужного телескопа, насправді не побачить, як наш корабель скорочується, але побачить ніби зацикленість його самого на себе (щось схоже на обертання).

Що ми побачимо на швидкості світла?

З часом наше поле зору продовжує звужуватися. Випромінювання посилюється перед нами, а позаду майже повністю зникає. Прискорюючись все більше і більше, ми, очікуємо, що колись досягнемо швидкості світла. Що б ми тоді побачили? 

Це питання може бути одним із найбільш фундаментальних у теорії відносності. Й існує проста відповідь на нього - ми не побачимо нічого. І не через те, що ми втратимо зір. Все простіше, навіть якщо корабель постійно прискорюється, ми ніколи не досягнемо швидкості світла. Це тому, що швидкість світла абсолютна. Ви можете спробувати зловити світловий промінь, але, з вашої точки зору, він завжди втече з тією ж швидкістю, що й швидкість світла. Ви можете прискорюватися скільки завгодно, навіть якщо з Землі вам здається, що ви наближаєтеся до швидкості світла, з вашої точки зору ви все ще нерухомі, а світло невблаганно вислизає.

Коротше кажучи, перевищити або навіть досягти швидкості світла абсолютно неможливо. У кращому випадку наш корабель продовжуватиме прискорюватися вічно, а наше поле зору буде продовжувати звужуватися все більше і більше, поки не утвориться нескінченно яскрава пляма перед нами, оточена абсолютно чорним небом. Майже на швидкості світла всі оптичні ефекти стануть екстремальними. Коли ми наздоганяємо світлові промені перед собою, здається, що всі знаходяться спереду. А ще, тим часом, промені, що нас наздоганяють ніколи не зможуть нас досягнути...

У нашій системі відліку Всесвіт був би надзвичайно стиснутим. Тут будь-яку відстань ми переходимо в будь-якому напрямку за частки секунди. В цей же час для людини на Землі ми б рухалися зі швидкістю світла, але для нас подорож здається миттєвою, ми рухаємося нескінченно швидко.

З усього сказаного раніше логічно, що ніщо ніколи не може рухатися в просторі швидше за світло. Але існує теоретичний спосіб обійти це правило. Адже насправді ніщо не забороняє самому простору рухатися швидше за світло. 

Ай справді, загальна теорія відносності вчить нас, що тканина простору-часу є динамічною, вона може згинатися різними способами. Таким чином, ми могли б уявити собі створення бульбашки навколо нашого космічного корабля, який би рухався швидше за світло. Це називається варп-двигун, ну принаймні саме так його назвав Джон Кемпбел в своєму романі 1931 року “Острова у космосі”. Отже таке рішення, більше не буде питанням переміщення транспортного засобу крізь простір, а скоріше рухом тканини самого простору під статичним кораблем.

Це дається дуже абсурдним. Навіть не абсурдним а просто нереальним. І справді, наразі вважається, що подібного неможливо досягти. Створення варп-двигуна вимагало б викривлення простору-часу з величезною кількістю від’ємної маси, особливої гіпотетичної форми матерії, яка, як нам відомо на сьогодні, не існує в нашому Всесвіті. Але ж в нас є чудовий обхідний шлях: математика все ще дозволяє нам моделювати та обчислювати те, що ми можемо побачити в такій ситуації.

Отже, якби ми подивилися зі сторони, варп-двигун з’явився б ніби нізвідки. Кривизна простору-часу відхиляє траєкторію світлових променів, утворюючи нібито рухому лінзу, яка розпадається на дві частини. Одна частина рухається вперед та стискає простір, а інша відступає в протилежному напрямку. Для стороннього наглядача світло рухається повільніше, ніж сам варп-привід. Отже ви його просто не бачите там, де він є насправді. І якщо цей варп-двигун наближається прямо до вас, то випромінювання від нього ще не встигло до нас дійти. Після того, як варп-двигун досягає нас нас, ми отримуємо і випромінювання цього моменту і промені, що випромінювалися раніше. Тобто, як я і казав раніше, двигун з’являється нізвідки