Не превышайте скорость света на дорогах Вселенной

Перевод делала для другого проекта и практически "на коленке" (быстро и максимально близко к тексту оригинала). Не уверена, что ф.рф нужен этот текст в статьях, поэтому оставлю здесь. Вдруг кому интересно будет. :)

[cut=читать дальше]

По материалам статьи. Автор: Итан Сигэл

Вселенная здесь. Откройте ее.

«Все не имеющие массы частицы, включая фотоны, глюоны и гравитационные волны, движутся со скоростью света и способны передавать электромагнитные, ядерные и гравитационные взаимодействиями соответственно. Частицы, обладающие массой, всегда должны двигаться со скоростью меньшей, чем скорость света, что является одним из граничных условий существования нашей Вселенной». (Аврора Симоннэ, НАСА, Государственный университет Сонома)

Когда речь заходит об ограничении скорости, предельной, согласно законам физики, считается скорость света. Первым это понял Альберт Эйнштейн: глядя на луч света, видно, что он движется, но никто не может сказать – к вам или от вас. Не важно, насколько быстро движетесь вы, и в каком направлении, свет перемещается с постоянной скоростью. Это правило верно для всех наблюдателей в любое время. Более того, любой материальный объект может развить скорость, близкую к скорости света, но не превысить ее. Если вы не обладаете массой, вы должны перемещаться со скоростью света, если обладаете – вам никогда ее не достичь.

Но на практике в нашей Вселенной есть еще одно ограничение для скорости движения материальных объектов – она куда ниже скорости света. Итак, поговорим об ограничениях реальной космической скорости.

«Свет, я полагаю, всегда движется в вакууме с одинаковой скоростью – скоростью света, независимо от того, с какой скоростью движется наблюдатель». (Melmak, пользователь Pixabay)

Когда ученые говорят о скорости света – 299.792.458 мсек – подразумевается именно «скорость света в вакууме». Только отсутствие частиц, полей или проводящей среды позволяет достичь скорости света. Но даже при соблюдении этих условий скорость света доступна лишь для частиц, не имеющих массы, в том числе фотонов, глюонов и гравитационных волн. Возможно, есть и другие, но мы о них не знаем.

Кварки, лептоны, нейтрино и даже гипотетическая черная материя обладают массой как неотъемлемым свойством. Объекты, состоящие из таких частиц, - протоны, атомы, люди – все также имеют массу. Как результат: все они могут лишь приблизиться, но не достичь скорости света. Не важно, сколько энергии затрачено на движение, - «идеал» недостижим.

«Гиперпривод из «Звездных войн», похоже, представляет собой ультрарелятивистское движение в космосе, максимально близкое к скорости света. Но, согласно законам теории относительности вы никогда не достигнете скорости, даже значительно меньшей, чем скорость света, если состоите из материи». (Jedimentat44, Flickr)

Но в реальности не существует идеального, «чистого» вакуума. Даже в далеких глубинах межгалактического пространства есть три вещи, от которых невозможно избавиться.

1. ТГМС – теплая-горячая межгалактическая среда. Это разреженная плазма – остатки космической «паутины». В то время, как материя сгущалась в звезды, галактики и более крупные образования, частицы ее оставались в пустоте Вселенной. Звездный свет ионизировал их, создавая плазму, которая составляет порядка 50% от общего нормального вещества Вселенной.

2. КМФ – космический микроволновый фон. Это – остаточная «суспензия» фотонов, возникших во время Большого Взрыва – сверхмощного выброса энергии. Даже сегодня при температуре в космосе около 2.7 градуса выше абсолютного нуля, концентрация фотонов составляет свыше 400 КФМ на кубический сантиметр.

3. КНФ – космический нейтринный фон. Большой Взрыв, помимо фотонов, создал и «суспензию» из нейтрино. Возникло неисчислимое количество протонов. В настоящее время эти уже медленно движущиеся частицы попадают в галактики и кластеры (звездные скопления), но многие остаются в межгалактическом космосе.

«В центре галактики (в мультиволновом спектре, с широким диапазоном длины волн) видны звезды, газ, радиация, черные дыры и другие объекты. Свет, исходящий из этих источников (от гамма-лучей до видимых радиоволн), - всего лишь детектор, позволяющий выявить, какие из наших приборов достаточно чувствительны, чтобы увидеть нечто на расстоянии более 25.000 световых лет». (НАСА)

Любая частица, движущаяся через Вселенную, столкнется с частицами ТГМС, нейтрино КНФ и фотонами КМФ. Несмотря на то, что они являются объектами с низкой энергией, фотоны КМФ наиболее многочисленны и равномерно распределены. Не важно, как вы созданы и сколько у вас энергии, - невозможно избежать взаимодействия с радиацией «возрастом» 13.8 миллиардов лет.

Когда мы задумываемся о частицах с самой высокой энергией, о тех, которые движутся с максимальной скоростью, - мы предполагаем, что они были созданы (возникли) в наиболее сложных условиях из всех, которые могла предложить Вселенная. А это значит, что мы предполагаем найти их там, где энергия выше, а поля сильнее: поблизости от разрушенных (сильно сжатых) объектов - нейтронных звезд и черных дыр.

Блазар ускоряет протоны, которые производят пионы, которые, в свою очередь, производят нейтрино и гамма-лучи. (Автор Icecube, НАСА)

Нейтронные звезды и черные дыры – те объекты, где можно найти не только сильнейшие гравитационные поля во Вселенной, но – теоретически – и сильнейшие электромагнитные поля. Чрезвычайно сильные поля генерируются заряженными частицами либо на поверхности нейтронной звезды, либо в аккреционном диске вокруг черной дыры, которые движутся со скоростью, близкой к скорости света. Движение заряженных частиц генерирует магнитные поля и, в процессе движения через них, частицы ускоряются.

Это ускорение вызывает не только излучение света с волнами различной длины (от рентгеновских лучей до радиоволн), но и появление сверхбыстрых частиц с высокой энергией – космических лучей.

Активное галактическое ядро. Сверхтяжелая черная дыра в центре аккреционного диска посылает направленный луч вещества с высокой энергией в космос, в направлении, перпендикулярном плоскости диска. Блазар, находящийся на расстоянии около 4 миллиардов световых лет, - источник космических лучей с высокой энергией и нейтрино. (Автор Desy, Science Communication Lab)

В то время как Большой адронный коллайдер ускоряет частицы на Земле до максимальной скорости 299.792.455 мсек, что составляет 99,999999% от скорости света, космические лучи способны преодолеть барьер скорости. Лучи, имеющие высокую энергию, мощнее самых быстрых протонов, созданные в коллайдере, примерно в 36 миллиардов раз. Предположим, что космические лучи также состоят из протонов со скоростью 299.792.455 мсек (99,999999% скорости света). Это максимально близко к скорости света в вакууме, но все же только близко.

Это достаточно веская причина, позволяющая предположить, что космические лучи (к тому моменту, когда они дойдут до нас) будут обладать не большей энергией, чем искусственно созданные протоны.

Остаточное свечение от Большого Взрыва, КМФ пронизывает всю Вселенную. Поскольку частица движется сквозь космос, она постоянно подвергается бомбардировке фотонами КМФ. При сохранении энергетического состояния, даже столкновение такого фотона с низкой энергией повлечет за собой создание новых частиц. (ЕКА)

Проблема в том, что космос – это не вакуум. В частности, фотоны КМФ сталкиваются и взаимодействуют с другими частицами при движении по Вселенной. Неважно, насколько высокая энергия созданной вами частицы, ей в любом случае придется пройти на пути к вам сквозь радиационную «суспензию», оставшуюся от Большого Взрыва.

Несмотря на то, что радиация сама по себе крайне холодна (средняя температура – 2.725 град. по Кельвину), средняя энергия каждого фотона достаточно велика и составляет около 0.00023 электрон-вольт. Само по себе это число невелико, но космические лучи, проходящие сквозь эти слои, обладают высокой энергией. Каждый раз, когда заряженная частица с высокой энергией вступает во взаимодействие с фотоном, она получает ту же возможность, что и все остальные взаимодействующие частицы, - возможность создать новую частицу (согласно формуле E=mc²).

Всякий раз, когда две частицы взаимодействуют с достаточно высокой энергией, появляется возможность создания дополнительной пары частица-античастица или новых частиц, согласно законам квантовой физики. Таким образом, формула Эйнштейна E=mc² «работает» не избирательно. (И. Сигэл «За (пределами) галактики»)

Если вам удастся создать частицу с энергией более 5х10¹⁹ электрон-вольт, она может двигаться в течение нескольких миллионов световых лет максимум до момента взаимодействия с одним из фотонов, оставшихся после Большого Взрыва. После момента взаимодействия останется достаточно энергии для нового нейтрального пиона, который позаимствует энергию первичного космического луча.

Чем большей энергией обладает ваша частица, тем больше шансов у вас создать пионы. Это возможно до тех пор, пока вы не достигнете нижнего граничного рубежа теоретической космической энергии, известного как предел ГЗК (Грейзена, Зацепина и Кузьмина). При взаимодействии с любой частицей также возникает замедляющая радиация (Bremsstrahlung) в межзвездной межгалактической среде. Ее влиянию подвергаются даже частицы с низкой энергией, которые выделяют энергию в виде электронных позитронных пар (и других частиц).

«Космические лучи, создаваемые астрофизическими источниками, могут достичь поверхности Земли. Когда космический луч сталкивается с частицей в атмосфере Земли, он порождает поток частиц, который мы можем наблюдать с поверхности. Если эти частицы находятся (оказываются) за пределами локальной группы, они подчиняются закону предела ГЗК». (Aspera Collaboration).

Мы полагаем, что каждая заряженная частица в космосе – каждый космический луч, каждый протон, каждое атомное ядро – будет ограничено этой скоростью. Не скоростью света, но более низкой, - за счет остаточных излучений после Большого Взрыва и частиц, находящихся в межгалактической среде. Если мы наблюдаем нечто с более высокой энергией, это может означать:

1. частицы с высокой энергией подчиняются иным законам, а не тем, которые нам известны;

2. они были созданы ближе, чем бы думаем – внутри нашей локальной группы или Млечного Пути, а не в отдаленных черных дыр за пределами галактики;

3. или это вообще не протоны, а сложные (композитные) ядра.

Из наблюдаемых нами лишь немногие частицы переходят предел ГЗК и имеют энергию 5х10¹⁹ электрон-вольт, но не превышающую 3х10²¹ электрон-вольт, что может быть сравнимо с соответствующим значением ядра железа. Поскольку многие космические лучи – это, с большей вероятностью, тяжелые ядра, а не отдельные протоны, - наше объяснение существования космических лучей со сверхвысокой энергией представляется наиболее убедительным.

«Спектр космических лучей. Чем больше энергии, тем меньше лучей. Ранее мы предполагали, что граничным пределом является значение 5х10¹⁹ электрон-вольт, однако имели возможность наблюдать частицы с энергией в 10 раз больше». (Гамбургский университет)

Существует предел скорости для движущихся сквозь Вселенную частиц, и это не скорость света. Эта скорость куда ниже и зависит от количества энергии в излучении после Большого Взрыва. По мере расширения и охлаждения Вселенной ограничение скорости в космических временных масштабах будет уменьшаться, а сама скорость – приближаться к скорости света. Помните, если вы движетесь сквозь Вселенную, - пусть и очень быстро, - остаточная радиация Большого Взрыва может сжечь вас. Пока вы материальны, для вас существует непреодолимый космический предел скорости.