Почему скорость света предельная?

20 век стал веком невиданных открытий и совершений. Одним из таких открытий стало изобретение специальной и общей теорий относительности (СТО и ОТО), довольно точно объяснивших многие физические явления. Однако теория относительности тяжело воспринимается, поскольку противоречит здравому смыслу. Например, двигаясь со скоростью света, длина тела будет уменьшаться в направлении движения, время для тела полностью остановится, а так же оно будет иметь бесконечную массу. Именно поэтому, для тел, что имеют массу покоя, скорость света является не достижимым барьером. Но является ли это таковым на самом деле? Давайте порассуждаем.

В настоящее время, удалось разогнать протоны при помощи ускорителей частиц до скоростей очень близких к световым, буквально до скорости света отделяют лишь сотые доли процента. При этом, чтобы разогнать ещё сильнее протон, придётся приложить многократно больше энергии, и даже при этом не удастся разогнать его до ровно световой скорости. Что подтверждает теорию относительности. Но, почему именно скорость света является предельной? Потому, что скорость света – это самая быстрая из известных человеку скоростей. Сами протоны в некотором роде разгоняются благодаря свету, то есть электромагнитных волн, которые образуют электромагнитное поле движущиеся со скоростью света. Это поле толкает протон вперед. Вот простая аналогия: вы на машине на идеально ровной дороге толкаете тележку, ваша предельная скорость равняется 40 км/час. Значит, и у тележки 40 км/час будет предельной скоростью. Большую скорость она не сможет приобрести. А теперь представьте, что у вашей машины не хватает сил разогнать её до 40 км/час, тележка очень большая и тяжёлая. Тогда вы зовёте двух своих друзей на таких же машинах, с такой же максимальной скоростью как у вас. Вместе вам удаётся разогнать тележку до 39,99 км/час. Затем вы зовёте ещё десяток своих друзей с такими же машинами, скорость тележки уже 39,9999. Вы зовёте ещё и ещё друзей, но скорость тележки никогда не доходит до 40 км/час. Вот смысл разгона протона (или любой другой заряженной частицы) в электромагнитном поле. Просто не хватает сил, передать всю кинетическую энергию электромагнитного поля частице. Всегда есть потери. Именно поэтому, скорость света является предельной, именно поэтому требуется бесконечное число кинетической энергии электромагнитного поля, что бы добиться скорости света. Однако, здесь рассматривалось лишь толкание. Но ведь двигаться, возможно, не только благодаря толканию, но и благодаря собственной энергии. Как наша машина, двигается благодаря сгоранию топлива, что двигает колёса. Или ракета, которая движется за счёт мощной струи плазмы. Давайте поподробнее рассмотрим этот случай.

У нас имеется ракета, скорость струи пламени у неё пусть будет равно 5 км/с. Означает, ли это, что скорость ракеты будет ограничена лишь 5 км/с? Нет, и всё благодаря ускорению! В начальный момент времени, скорость ракеты равна нулю. Она включает двигатель, вырывается пламя на 1 секунду, затем затухает. Её скорость становится равной 5 км/с. Через секунду пламя вновь разгорается, и вновь через секунду тухнет. Скорость ракеты была 5 км/с, но после второго запуска стала уже равной 10 км/с. Почему так получилось? Потому, что ракета имела скорость с предыдущего запуска двигателя, эта скорость сложилась со скоростью нового запуска. И так можно наращивать скорость до тех пор, пока не иссякнет топливо у ракеты. В данном случаи не может быть предел скорости. Он ограничен лишь источником энергии или количеством топлива. Проблема в том, что топливо имеет массу, для того, чтобы поддерживать ускорение, нужно много топливо, которое нужно тоже перемещать. Используя формулу Циалковского, можно рассчитать, что для достижения скорости света отношение полезной нагрузки + конструкция аппарата + топливо к полезной нагрузки + конструкция составит 2,71^3000 для самого мощного существующего электрического ракетного двигателя. Это фантастически много! Для того, чтобы разогнать одну тонну потребуется масса топлива во много раз превышающую массу Солнца. Поэтому, в настоящее время невозможно двигаться быстрее скорости света. Нужен практически неиссякаемый источник энергии, либо сверхмощное топливо, либо принципиально новый тип двигателя. Возможно в будущем, они будут созданы или открыты. А пока, что можно лишь мечтать о перемещении со скоростью света, либо выше.

Всё выше написанное касается скорости света в вакууме. Если же свет перемещается в какой-либо среде, его скорость падает, становится меньше предельной. Существует эффект Вавилова-Черенкова — это свечение, вызываемое в прозрачной среде заряженной частицей, которая движется со скоростью, превышающей фазовую скорость распространения света в этой среде. Очень красивое явление, наблюдал его своими глазами.