Специальная теория относительности Альберта Эйнштейна, разработанная им в 1905 году, утверждает, что по мере приближения физического тела к скорости, близкой к скорости света, его масса и энергия будут увеличиваться*. То есть, чем быстрее будет двигаться физическое тело, тем тяжелее оно будет становиться. В случае достижения скорости света масса тела, равно как и его энергия, становятся бесконечными. Получить такие показатели невозможно. Согласно теории относительности, ничто, имеющее массу, не может достичь скорости света или превысить ее. Вот почему частицы света фотоны не имеют массы покоя и “живут” только в движении со скоростью света.

Однако в мире науки существуют некоторые явления и концепции, которые бросают вызов пределу скорости света. 

Один из таких примеров — квантовая запутанность — явление, при котором состояние двух или более объектов, как правило, частиц, может быть взаимозависимым вне зависимости от их расстояния друг от друга. У частиц есть собственные угловые моменты — спины; они имеют противоположные направления. Если измерить спин одной из них, ученый мгновенно узнает спин второй, независимо от того, как далеко от наблюдателя находится последняя частица. Фактически исследователь узнает состояние второй частицы быстрее, чем свет от нее мог бы долететь до ученого, то есть эта информация передается со сверхсветовой скоростью. Но квантовую запутанность нельзя использовать для передачи данных в привычном нам смысле, а значит, запутанность не нарушает теорию относительности. 

Расширение Вселенной. Галактики, которые находятся за отметкой 14,5 млрд. световых лет, удаляются от нас со скоростью, превышающей скорость света из-за растяжения самого пространства — это явление называют космической инфляцией. Стоит понимать, что не сами галактики движутся в пространстве со сверхсветовой скоростью; скорее, это расширяется ткань пространства. Это расширение не подчиняется тем законам, которым подчиняются объекты, движущиеся в пространстве. Проще говоря, речь идет о скорости расширения пространства, а не о движении в пространстве. Удаление галактик со скоростью выше скорости света никак не нарушает теорию относительности. Поэтому теория Эйнштейна остается по-прежнему верной — физическое тело не может двигаться быстрее света.

Еще один пример — тахионы — гипотетические частицы. Тахионы всегда быстрее света, но для этого им приходится иметь некую «мнимую» массу, и свойство терять скорость при поглощении энергии. Для тахионов замедление означает увеличение массы, а замедление до скорости света требует бесконечной энергии. Для этого масса тахиона должна быть мнимым числом, а в математическом смысле его масса умножается на квадратный корень из отрицательного числа. Отсюда ученые делают вывод, что тахион может двигаться назад во времени. Тахионы не могут доносить информацию, так как это, например, нарушило бы принцип причинности, и вообще не могут как либо взаимодействовать с частицами нашего мира, потому что их скорость выше скорости взаимодействия в нашей Вселенной. Иными словами, тахионы невозможно обнаружить. 

Гипотетическую частицу тахион миру явил американский физик Джеральд Фейнберг в 1967 году. Ученый математически доказал, что существование тахиона не противоречит теории относительности. 

«Варп-двигатель» или «гипердвигатель». 

«Сокол Тысячелетия» — транспортный корабль, который принадлежал Хану Соло. В гиперпространстве «Сокол» летал гораздо быстрее кораблей своего класса, он преодолевал огромные расстояния за считанные секунды, все потому, что на его борту стоял гипердвигатель. 

В 1994 году мексиканский физик-теоретик Мигель Алькубьерре опубликовал статью, в которой описал двигательную установку космического корабля, позволяющую перемещаться в космосе быстрее скорости света без нарушения законов физики. Этот двигатель должен использовать равное количество положительной и отрицательной плотности энергий, чтобы, сжимая пространство-время перед кораблем и растягивая позади него, создать своего рода пузырь, который будет окружать космический аппарат.  

Внутри этого пузыря корабль не будет испытывать никакого ускорения. Это похоже на конвейерную ленту, построенную из пространства-времени. По отношению к конвейеру человек находится в покое, пока сама линия движется быстрее скорости света. К сожалению, идею Алькубьерре пока невозможно претворить в жизнь, так как у ученых нет подходящих технологий (например, для создания чего-то с отрицательной массой). Но это не значит, что инженеры не пытаются изобрести варп-двигатель.  

Время от времени ученые наблюдали явления, связанные со сверхсветовыми скоростями, по крайней мере, они так думали. Например, в ходе эксперимента «faster-than-light neutrinos» (OPERA), проведенного в 2011 году в ЦЕРН. Ученые, работающие в нейтринном проекте OPERA, получили данные, которые указывали на то, что элементарные частицы нейтрино могут двигаться быстрее скорости света. Однако проведя ряд контрольных экспериментов, специалисты пришли к выводу, что это была ошибка, ее причиной стал технический дефект.

Подобные результаты наблюдений часто оказываются экспериментальной ошибкой или неправильно сделанными выводами, что, в свою очередь, только укореняет мнение ученых — скорость света — непреодолимый барьер.

*Правка редактора. Масса не растет со скоростью. Есть широко распространенное убеждение, что масса растет со скоростью; ее часто называют «релятивистской массой». Это убеждение основано на неправильной интерпретации связи между энергией и массой. Это утверждение встречается не только во многих популярных книжках, но и в школьных и даже в вузовских учебниках физики. Это утверждение неверно. Масса — в том виде, в котором это слово понимает современная физика, и в особенности физика элементарных частиц, — от скорости не зависит. От скорости зависит энергия частицы и ее импульс, при околосветовых скоростях меняются законы динамики и кинематики. 

Post Scriptum

В научном мире есть много интригующих идей и явлений, которые, будто (только на первый взгляд) бросают вызов пределу космической скорости. Главный постулат современного понимания Вселенной, основанный на теории относительности, утверждает, что ни одно физическое тело не может двигаться в пространстве быстрее света. Квантовая запутанность, космическая инфляция и другие подобные явления, хотя и кажется, что разбивают вдребезги теорию Эйнштейна, но они не связаны с обычным движением в пространстве и, таким образом, не нарушают принципы относительности. Гипотетические концепции, такие как тахионы, «варп-двигатели», конечно, будоражат воображение ученых, но пока остаются только гипотезой.

Смотрите нас на youtube, читайте в Telegram. Следите за всем новым и интересным из мира науки на нашей страничке в Google Новости