Будут ли светить фары автомобиля на скорости света: теоретические рассуждения

Что произойдет, если вы путешествуете со скоростью света и включаете фары?

Один из самых популярных вопросов в физике, которые задают обычные люди, звучит так: «Что произойдет, если вы едете со скоростью света и включаете фары?». Казалось бы, об этом уже сказано все, что только можно. Но физика – удивительная штука. Объяснений никогда не бывает много. Многие вещи о нашей Вселенной можно рассказывать вечно. Итак, давайте представим, что произойдет с автомобилем, если разогнать его до скорости света и включить передние фары. Увидим ли мы свет перед машиной? Загорятся ли вообще фары? Включите свое воображение, будет интересно. 

Тех, кто не любит мысленные эксперименты и хочет сразу получить простой ответ, сразу разочаруем: даже теоретически разогнать автомобиль до скорости света не получится. Почему? Все дело в том, что наш вопрос противоречит специальной теории относительности Эйнштейна, в которой говорится, что ни один объект с массой не может двигаться со скоростью света или выше. 

К сожалению, физика учит, что мы всегда ограничены сверхсветовыми скоростями. Кстати, долгое время после открытия Эйнштейна в мире были критики его теории, утверждая, что уравнение  E = mc2 неверно.  Но это нормально. В мире всегда были люди, которые скептически относятся к уравнениям, несмотря на доказательства. И даже сегодня, после того как в мире появилось ядерное оружие и теорию Эйнштейна подтвердили не один раз, в мире находятся чудаки, которые утверждают, что великий физик-мыслитель был не прав. Но это нормально. Так устроен мир. Ведь находится сегодня немало людей, которые верят, что Земля плоская. Хотя, заметьте, на дворе 21 век, а не Средневековье. 

Специальная теория относительности предсказывает, что если вы берете массивную частицу и продолжаете прикладывать к ней силы, она движется все быстрее и быстрее, медленно приближаясь к скорости света, но никогда не достигая ее. Прямо сейчас, например, в Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе, находящемся около Женевы, протоны летают с колоссальной энергией 3,5 ТэВ. Это означает, что протоны движутся на скорости 99.999994% скорости света. Но даже если удвоить энергию, протоны все равно не достигнут скорости света. Да, эта скорость будет выше 99.999994% скорости света, но все равно не 100%. 

Конечно, нам всегда нужно помнить, что мы можем и ошибаться. В том числе и самые умные физики на планете. В том числе есть доля вероятности, что теория Эйнштейна также неверна. Но эта вероятность ничтожна. Дело в том, что тому, что Эйнштейн прав, есть много доказательств. Для примера: если бы теория относительности была неправильная, человечество не смогло бы запустить Коллайдер. Также если бы не теория относительности, человечество не изобрело бы спутниковые GPS/Глонасс-устройства. 

Майкельсон и Морли обнаружили в 1887 году, что свет распространяется с одинаковой скоростью, а также, что свет распространяется в вакууме, а не в эфире, который не существует, как полагали ученые до 1887 года. Кстати, результат эксперимента Майкельсона и Морли не имеет смысла без специальной теории относительности. 

Вся современная физика (и технологии) построена на основе специальной теории относительности, которая уже долгое время не раз доказала свою точность. Так что если вы хотите доказать, что Эйнштейн ошибался и что, например, можно разогнаться до скорости света, тогда для начала вам придется пробить большой бетонный барьер из огромного числа доказательств, выведенных экспериментальным путем. 

Одна из причин, почему многие люди до сих пор смущены теорией относительности, заключается в том, что она бросает вызов повседневному опыту. Например, если я нахожусь в ж/д вагоне, который движется со скоростью 60 км в час, и бросаю быстро мяч со скоростью 90 км в час, кто-то, стоящий на перроне вокзала, увидит, как мяч движется со скоростью 150 км в час. Кажется, та же логика должна работать и со светом. Но это не так. 

Странные вещи случаются, когда вы приближаетесь к скорости света, и они становятся еще более странными, когда вы понимаете, что ваши учителя физики в старшей школе (возможно, случайно) солгали вам. Многие из вас, мы надеемся, помнят школьную физику. В таком случае вы должны помнить уравнение Ньютона: F = ma.

Расшифровывая эти символы в уравнении, вы должны вспомнить, что если вы прикладываете постоянную силу к частице, она должна испытывать постоянное ускорение. Если исходить из этого, то получается, что если мы применяем силу к частице достаточно долго, то она продолжает ускоряться и в конечном итоге она должна превысить скорость света. Вуаля! Уравнение Ньютона (по крайней мере, для света) неверно.

Но что происходит, когда вы приближаетесь к скорости света и включаете в транспортном средстве фары? С вашей точки зрения, ничего или, по крайней мере, ничего особенного. Если бы вы держали перед собой зеркало, вы бы выглядели так, как всегда. На самом деле одна из удивительных вещей в специальной теории относительности заключается в том, что, если вы не будете смотреть на все окружающее вас пространство за бортом транспортного средства, вы не сможете сказать, движетесь ли вы вообще. 

Но с точки зрения людей, стоящих в стороне, все выглядит действительно круто. Стационарные наблюдатели заметят, что ваш космический корабль (или гоночный автомобиль, способный разогнаться до 99% скорости света) сжимается вдоль направления движения. Вас же наблюдатели увидят сплющенным, как будто ваше тело попало под гигантский камень. 

Также наблюдатели смогут видеть ваши часы – ваше сердцебиение, вашу речь, ваш компьютер, но все циклы внутри автомобиля будут работать медленно. Это правда, но совершенно незаметно для вас, когда вы находитесь внутри транспортного средства, движущегося на околосветовой скорости. Для вас внутри машины будет все как в повседневной жизни. 

То есть время в вашей машине, которая мчится по просторам Вселенной на скорости, близкой к скорости света, замедлится. Для вас в автомобиле одна секунда будет также равна одной секунде. Но ваши часы не будут синхронизироваться с теми, которые вы оставили дома. В итоге ваши часы будут отставать. Частоты света, попадающие на вас, также начнут сдвигаться. Красный спектр света сместится к синему. Если вы зажжете ваши фары на скорости, близкой к скорости света, то спектр света их сместится к ультрафиолету.

Еще более странным является тот случай, когда два космических корабля движутся навстречу друг другу на 99% скорости света. Здравый смысл подсказывает, что капитан каждого корабля должен видеть другого, летящего к нему быстрее скорости света. Но это не так. Одним из результатов постоянной скорости света, согласно теории относительности, является то, что все относительные скорости будут меньше, чем вы думаете. В нашем примере каждый капитан будет видеть, как другой приближается к нему на 99,995% скорости света. 

Возвращаясь к первоначальному вопросу (который, кстати, задавал себе и молодой Эйнштейн, благодаря чему на свет и появилась теория относительности), что произойдет с фарами автомобиля или космического корабля, если их включить, разогнавшись до скорости света, вот какой вывод можно сделать.

По мере того, как вы приближаетесь к скорости света, время становится все медленнее и медленнее по сравнению со временем стационарных наблюдателей. Поэтому если вы действительно хотите знать, что же все-таки произойдет с фарами на скорости света, вы должны знать, что ничего не произойдет, поскольку на этой скорости время остановится! А это означает, что когда время останавливается, ничего не может произойти. Но это нормально, потому что ничто не может двигаться быстрее света, что имеет вес.