Коли Альберт Ейнштейн передбачив, що світло рухається з постійною швидкістю, він, по суті, встановив обмеження: 299 792 кілометри на секунду. Насправді величезна величина, але в рамках "порожнього", "чистого" простору.
Однак пізніше з'ясувалося, що маса все ж має значення.
Ейнштейн проти мас
До Ейнштейна маса - атоми, з яких складається все, а також енергія - розглядалися як окремі сутності. Але 1905 року великий німецький учений здійснив наукову революцію і назавжди змінив уявлення фізиків про Всесвіт.
Спеціальна теорія відносності Ейнштейна зв'язала масу й енергію у фундаментальну проекцію, виражену знаменитим рівнянням E = mc2
Цей невеликий вираз передбачає, що щось, що має масу, не може рухатися швидше за світло, точніше кажучи, потоку фотонів у "вільному", ідеально "прозорому" просторі.
Технологічно ми вже наблизилися до субсвітлових швидкостей, щоправда, тільки за допомогою потужних прискорювачів, на кшталт Великого адронного колайдера і Теватрона.
Ці колосальні машини розганяють субатомні частинки до 99,99% швидкості світла, але, як пояснює нобелівський лауреат з фізики Девід Гросс, вони ніколи не досягнуть космічної межі швидкості.
Чому?
Потрібна нескінченна кількість енергії, а в процесі "розгону" маса об'єкта стане нескінченною, що теоретично неможливо. Як відомо, фотон не має маси (або того, що вважається масою, вимірюваною в еВ).
Це означає, що можуть існувати певні "позамасові" сутності, здатні досягати надсвітлових швидкостей і водночас слідувати космічним правилам, встановленим спеціальною теорією відносності.
Така гіпотетична ймовірність (не факт, що вона існує) не спростовує теорію Ейнштейна, хоча й дає нам уявлення про своєрідну поведінку світла і квантового світу.
Світловий еквівалент і спеціальна теорія відносності
Коли об'єкти рухаються швидше за швидкість звуку, вони виробляють звуковий удар.
Теоретично, якщо щось рухається швидше за швидкість світла, має виробляти щось на кшталт "світлового удару".
Насправді, такий світловий бум відбувається щодня на об'єктах по всьому світу - ви можете побачити його на власні очі. Це називається випромінюванням Черенкова, і воно проявляється у вигляді блакитного світіння всередині ядерних реакторів.
Черенковське випромінювання світиться, тому що активна зона вдосконаленого випробувального реактора занурена у воду, зберігаючи її низьку температуру.
У воді електрони, що утворюються в результаті реакції всередині ядра, рухаються швидше, ніж фотони, світло. Фазова швидкість більша.
Частинки, подібні до електронів, і які під час руху перевищують фазову швидкість у воді або іншому середовищі, наприклад у склі, створюють ударну хвилю, подібну до звукового удару.
Коли ракета рухається повітрям, вона створює перед собою хвилі тиску, здатні віддалятися від неї зі швидкістю звуку. І що ближче ракета до звукового бар'єру, то менше часу у хвиль, щоб піти зі шляху об'єкта.
Досягнувши швидкості звуку, хвилі збиваються в купу, створюючи ударний фронт, утворюючи цілком відчутний звуковий удар.
Спеціальна теорія відносності Ейнштейна говорить, що щось, що має масу, не може рухатися швидше за швидкість світла, і, наскільки можуть судити фізики, Всесвіт дотримується цього правила.
Але як щодо того, що не має маси?
Фотони за своєю природою не можуть перевищувати швидкість світла, але частинки світла - не єдина безмасова сутність у Всесвіті.
Порожній простір не містить жодної матеріальної субстанції і тому, за визначенням, не має маси.
"Оскільки порожнеча - це просто порожній простір або вакуум, вона може розширюватися швидше за швидкість світла, тому що жоден матеріальний об'єкт не долає світловий бар'єр", - каже астрофізик-теоретик Мічіо Каку.
"Тому порожній простір, безумовно, розширюється швидше за світло".
Саме це сталося одразу після Великого вибуху в епоху, звану інфляцією. Гіпотеза, що домінує в сучасній фізиці та астрономії, вперше припущена Аланом Гутом і Андрієм Лінде в 1980-х роках.
"Якщо у мене є два електрони, розташовані близько один до одного, вони можуть вібрувати в унісон, згідно з квантовою теорією, - пояснює Каку. - Тепер розділіть ці два електрони так, щоб вони перебували на відстані сотень або навіть тисяч світлових років один від одного, і вони підтримуватимуть міст миттєвого зв'язку".
"Якщо я похитую один електрон, його партнер "відчуває" цю вібрацію миттєво, швидше за швидкість світла. Ейнштейн стверджував, що такий факт спростовує квантову теорію, оскільки ніщо не може рухатися швидше за світло".
Насправді Ейнштейн, Борис Подольський і Натан Розен у 1935 році спробували спростувати квантову теорію за допомогою уявного експерименту "моторошна дія на відстані".
За іронією долі, їхня стаття заклала основу явища, відомого як парадокс ЕПР (Ейнштейна-Подольського-Розену) , який описує миттєвий зв'язок квантової заплутаності.
Оскільки щось, що має масу, не може рухатися швидше за світло, можна розпрощатися з міжзоряними подорожами - принаймні в класичному розумінні ракетного кораблебудування.
Але Ейнштейн - жартівник. Якщо спеціальна теорія відносності об'єднала масу й енергію, то загальна теорія відносності сплела воєдино простір і час.
"Єдиним реальним способом подолання світлового бар'єру може бути загальна теорія відносності та викривлення простору-часу", - упевнений Каку.
Просторове викривлення - це те, що ми в побуті називаємо "червоточиною", яка теоретично може дозволити чомусь миттєво долати величезні відстані, по суті, дозволяючи нам порушити обмеження космічної швидкості, долаючи величезні відстані за дуже короткий проміжок часу.
У 1988 році фізик-теоретик Кіп Торн - науковий консультант і виконавчий продюсер фільму "Інтерстеллар" - використовував рівняння загальної теорії відносності Ейнштейна, щоб передбачити можливість існування червоточин, які назавжди залишаться відкритими для космічних подорожей.
Але для того, щоб червоточини можна було подолати, необхідна якась дивна, екзотична матерія, що утримує їх відкритими.
"Дивовижний факт, що екзотична матерія може існувати, завдяки дивацтвам у законах квантової фізики", - пише Торн у своїй книжці "Наука про "Міжзоряне"".
Ба більше, аналог такої матерії отримано в лабораторіях тут, на Землі, але в дуже крихітних кількостях.
Коли 1988 року Торн запропонував свою теорію стабільних червоточин, він звернувся до фізичної спільноти з проханням допомогти у визначенні, чи може у Всесвіті існувати достатня кількість екзотичної матерії, щоб підтримати стабільність червоточин.
Як результат, з'явилося безліч досліджень. Однак сьогодні, майже 30 років потому, відповідь не відома. Ми все ще далекі від розуміння "несвітлової" фізики.
