Наука и Техника

Наука И Техника
6 января 2015

Космический предел скорости

Если вы стреляный воробей, то вы знаете, что скорость света в вакууме – 299 792 458 метров в секунду - это абсолютный максимум скорости передвижения для любой формы энергии во Вселенной. В сокращении эта скорость известна физикам как с.

Но вы, независимо от ваших стараний, никогда не достигнете такой скорости. А причина проста: вы обладаем массой. И объект, обладающий массой, можно разгонять сколько угодно, но понадобится бесконечное количество энергии, чтобы достигнуть с, а количество энергии во Вселенной конечно.

Но это не значит, что вы согласитесь на 90% от с, или 99%, или 99.9999%. Вы всегда стремитесь к этой дополнительной доле скорости, этой дополнительной части энергии, к этому дополнительному толчку, приближающему нас к недостижимому пределу. Вы, возможно, хорошо знаете о попытке сделать это в CERN'e, где недавно нашли бозон Хиггса. Сталкивая два протона друг с другом, один из которых движется со скоростью 299 792 447 метров в секунду (всего на 11 м/с меньше скорости света) в одном направлении, а другой с той же скоростью - в противоположном, можно получить невероятно высокоэнергетические частицы, ограниченные только энергией, доступной согласно Эйнштейновскому E=mc^2.

По завершении модернизации БАКа, эта скорость возрастет до 299 792 455 м/с, что сделает разгоняемые протоны самыми быстрыми на Земле. Но вряд ли они являются самыми быстрыми частицами.

Кроме того, протон является относительно тяжелой частицей, приблизительно в 1836 раз тяжелее, чем летающий вокруг него его друг - электрон! И, хоть мы и создали протоны с большей энергией, нежели электроны, она занимает всего одну 1836-ю энергии (или 0,054%), которая потребуется, чтобы разогнать электрон до такой же скорости. Это значит, что БЭП - большой электронно-позитронный коллайдер (предшественник БАК) - где смогли достичь энергии в 104,5 ГэВ для электрона (для сравнения, после модернизации БАКа ожидается энергия в 6500 ГэВ), до сих пор держит рекорд по ускорению частиц.

Какова эта скорость? 299 792 457,9964 метра в секунду, или огромные 99,9999999988% скорости света, всего лишь на 3.6 миллиметра в секунду меньше скорости света в вакууме! Но это только здесь, на Земле, с хромыми сверхпроводящими электромагнитными ускорителями, питающимися от слабых химических источников энергии. По сравнению с тем, что приходит из Вселенной, земные источники не имеют никаких шансов.

Космическое пространство заполнено сколлапсировавшими звездами, сверхновыми звездами и сверхмассивными черными дырами, включая те, что находятся в центрах активных галактик, где магнитные поля в миллиарды раз отличаются от свойственных Земле. Со всех направлений пространства космические лучи - высокоэнергетические частицы, преимущественно протоны - летят сквозь Вселенную на энергиях настолько высоких, что все, чего человек достигал здесь, на Земле, кажется ничтожным.

Да, по мере перехода к все более и более высоким энергиям, частицы становятся все мельче, однако высочайшие энергии уже не измеряются в порядках ГэВ (Гигаэлектронвольт или 10^9 эВ), ТэВ (Тераэлектронвольт или 10^12 эВ) или даже ПэВ (Петаэлектронвольт или 10^15 эВ). Вместо этого, эти энергии могут достигать диапазона 10^19 эВ! И эти значения уже действительно очень интересны! Потому что в районе 4-5х10^19 эВ Вселенная уже не позволит вам оставаться на этой энергии! Хотите - верьте, хотите - нет, но проблема в том, что независимо от того, насколько высока энергия частицы, ей придется пройти через радиационную ванну, оставшуюся от Большого Взрыва, чтобы попасть к вам.

Это излучение невероятно холодное, при средней температуре около 2,725 градусов Кельвина, или менее трех градусов выше абсолютного нуля. Если попытаться вычислить среднеквадратичное значение энергии каждого фотона там, это будет порядка всего 0,00023 электрон-вольт, очень маленькое число. Каждый раз, когда высокоэнергетическая заряженная частица имеет возможность взаимодействовать с фотоном, она обладает такой же возможностью, как и все взаимодействующие частицы: если это энергетически разрешено по E=mc^2, то есть шанс образования новой частицы! И эта частица не получает энергию из ниоткуда, а берёт её из системы, создавшей ее!

Легчайшая частица, которую можно создать столкновением - это нейтральный пион, для образования которой понадобится 135 МэВ энергии. Для этого есть предел, который относительно легко можно вычислить, и это говорит о том, что чем дольше ваше значение энергии будет превышать определенный энергетический предел (известный как предел ГЗК, названный в честь Грайзена-Зацепина-и-Кузьмина). тем дольше вы будете испускать эти пионы, пока значение энергии не станет ниже этого энергетического предела.

В течение долгого времени, вплоть до последних нескольких лет, казалось, что это частицы, превысившие предел, что означало либо то, что они были образованы в пределах Галактики, поскольку это был единственный вариант, позволявший им добраться до Земли, было что-то не так с нашим пониманием относительности (большая вероятность), или, как предполагало множество людей, были проблемы с измерением таких беспрецедентно высоких энергий.

И вот, сейчас, самая современная обсерватория и эксперимент - Pierre Auger Observatory и High-Resolution Fly’s Eye Experiment - четко знают пределы ГЗК и не видят космических лучей с энергией, превышающей 5х10^19 эВ. Что же касается протона, путешествующего с такой энергией, знаете ли вы, что это будет за скорость? Это говорит нам о том, что протон, путешествующий на ГЗК-пределе, имеет скорость: 299 792 457,999999999999918 метров в секунду.

Или, предположим, вы отправили протон с такой энергией и фотон к ближайшей звезде и обратно, фотон вернется первым... Обогнав всего на 22 микрона протон, который прилетит на 700 фемтосекунд позже. И каждая заряженная частица в космосе - каждый космический луч, каждый протон, каждое атомное ядро - ограничено этой скоростью! Не просто скоростью света, а на маленькую долю меньше, благодаря остаточным отблескам Большого Взрыва!

Поэтому, когда вы мечтаете о путешествиях по Вселенной со скоростью близкой к скорости света, радиация от Большого взрыва - такая низкоэнергетическая в микроволнах (как в микроволновых печах) - поджарит вас до хрустящей корочки, если вы будете двигаться слишком быстро. И это и есть предел космической скорости для вас, и всего остального, сделанного из материи!