Почему нельзя превысить скорость света?

Скорость света — 300 000 км/с, и ничто не может ее преодолеть.

Скорость света — самая большая скорость, которая вообще возможна в нашей Вселенной, и она, как известно, равна 300 000 км/с. И еще установлено, что никакое тело, никакая частица не может достичь скорости света (тем более — ее превысить) — на это способны только фотоны и другие кванты, а также их «вторые натуры» — электромагнитные волны. Так?

Да, все верно, но с некоторыми оговорками и уточнениями.

Когда говорят о скорости света, то чаще всего имеют в виду скорость распространения световой волны или фотона в вакууме.

Самое простое объяснение - с увеличением скорости объекта растет его масса и при приближении к скорости света стремится к бесконечности. То есть для достижения скорости света необходима бесконечная энергия.

В пространстве, свободном от материи и любого излучения (в настоящем вакууме не должно быть ничего, даже радиоволн), свет как раз и будет достигать своей огромной секундной скорости в 300 тысяч километров. А вот при попадании в другие среды (в тот же воздух,стекло, прозрачные кристаллы и т. д.) свет тормозится.

Свет может рассматриваться либо как электромагнитная волна, скорость распространения в вакууме которой постоянна, либо как поток фотонов — частиц, обладающих определённой энергией, импульсом, собственным моментом импульса и нулевой массой (или, как говорили ранее, нулевой массой покоя).

Любая прозрачная (а при соблюдении некоторых условий — и непрозрачная) среда обладает той или иной оптической плотностью — чем она больше, чем с меньшей скоростью в ней может распространяться свет. Например, в прозрачном воздухе при давлении в одну атмосферу свет движется всего на 2 % медленнее, чем в вакууме (около 294 000 км/с).

В дистиллированной воде скорость распространения света падает уже до 226 000 км/с, а в оптическом (крайне чистом и однородном) стекле свет движется со скоростью чуть менее 196 000 км/с. Алмаз понижает скорость света до 130 000 км/с, а некоторые кристаллы — и до еще меньших показателей.

Разница поразительная, но это, как показали опыты, далеко не предел.

В самом начале третьего тысячелетия сразу две группы ученых проводили эксперименты по снижению скорости света в экзотической среде — конденсате Бозе — Эйнштейна, созданном из паров натрия и рубидия (в этом состоянии атомы соединяются попарно, образуя вещество с удивительными качествами).

Результаты работ были ошеломительными — падение скорости света в парах натрия при почти абсолютном нуле удалось довести до 17 м/с! Как показали расчеты, при соблюдении некоторых условий скорость света в конденсате Бозе — Эйнштейна из натрия может составлять и 1 м/с, но эксперименты другой группы оказались более успешными.

Ученые, пропускающие луч лазера через пары рубидия, смогли и вовсе остановить свет. Но не стоит думать, что в объеме рубидия находились неподвижные фотоны — вовсе нет, так как фотоны не обладают массой покоя, а значит, могут существовать только в движении.

Тогда почему здесь говорится об остановке света?

С точки зрения квантовой механики, все верно. Электромагнитная волна (не забываем, что свет подчиняется корпускулярно-волновому дуализму, то есть может быть представлен как волной, так и потоком частиц) будто бы «завязла» в парах рубидия, отдав им свою энергию.

Однако при несложных манипуляциях (изменении внешнего управляющего магнитного поля) снова рождались фотоны, абсолютно идентичные (по поляризации, энергии и другим характеристикам) тем, что вошли в емкость с парами рубидия: фотоны как бы застревали в рубидии, а через какое-то время снова выходили, поэтому и можно говорить об остановке света.

Теперь стоит сказать о недостижимости скорости света другими частицами и физическими телами. ОТО говорит, что скорости в 300 000 км/с могут достичь только фотоны и только в вакууме. Однако возникают ситуации, когда частицы движутся быстрее, чем свет, и это вовсе не фантастика.

Уже говорилось, что свет в разных средах имеет разную скорость, и эта скорость никак не может увеличиваться.

Однако другие частицы (например, электроны) не ограничены в том, с какой скоростью им лететь, например, сквозь стекло. 

Кстати, благодаря этому обстоятельству на дне океанов и в ядерных реакторах может возникать свечение воды. Дело в том, что если частица движется в какой-либо среде быстрее, чем движется в этой же среде свет, то возникает слабое свечение — это так называемый эффект Вавилова — Черенкова.

Недавно в СМИ появились заголовки о зафиксированном якобы сверхсветовом движении в джетах галактики M87. 

В видео ниже- что было обнаружено на самом деле, и почему никакие законы физики нарушены не были.

 

На данном эффекте основаны некоторые детекторы, позволяющие измерять скорости и другие характеристики элементарных частиц. А свечение воды у дна океана может быть вызвано высокоэнергетическими электронами, испускаемыми ядрами радиоактивных элементов, находящихся в грунте.