Установленной законами физики пределом для скорости материи является скорость света. Однако на практике в нашей Вселенной существует еще более ограничивающая грань, и она меньше скорости света. Вот научная история о реальном значении реального лимита космической скорости.
Космический вакуум, которого нет
Когда у ученых речь идет о скорости света (299 792 458 м/с), то в виду имеется скорость света в вакууме. И ее можно достичь только при отсутствии частиц, полей и любого другого среды, через которую осуществляется путешествие. Но и при таких условиях приблизиться к ней могут только безмассовая доли и волны: фотоны, гравитационные волны, и больше ничего из того, что нам известно. Ведь у кварков, лептонов, нейтрино и гипотетической темной материи есть масса, как характерная их свойство. Соответственно все объекты созданные из этих частиц (протоны, атомы и люди) также ее имеют. В результате они могут приблизиться к скорости света в вакууме, но не могут ее достичь. И это независимо от того, сколько энергии вы вложите в объект.
Однако есть еще одна проблема. Такого явления, как идеальный вакуум, практически не существует. Даже в самых безднах межгалактического пространства есть три вещи которых невозможно избавиться:
- Тепло-горячая межгалактическая среда («warm-hot intergalactic medium», WHIM). Эта слабая, жидкая плазма является остатками космической паутины. Хотя часть материи сосредоточилась в звездах, галактиках и больших скоплениях, часть ее остается в больших полостях Вселенной. Звездный свет ионизирует эту материю, создавая плазму, которая может занимать около 50% от общего нормальной вещества Вселенной.
- Реликтовое или космическое микроволновое излучение («cosmic microwave background», CMB). Это ванна фотонов, осталась еще от Большого взрыва — время экстремально больших энергий. Даже сегодня при температуре всего на 2,7 градуса выше абсолютного нуля в кубическом сантиметре пространства содержится более 400 CMB-фотонов.
- Нейтринное реликтовое излучение («cosmic neutrino background», CNB). Большой взрыв, кроме армии фотонов, создал ванну нейтрино. Возможно, из-за превосходящего количества протонов много этих, теперь медленных, частиц попадают в галактики и кластеры, однако часть из них все же остается в межгалактическом пространстве.
Таким образом, любая частица, путешествуя по Вселенной, будет сталкиваться с частицами WHIM, нейтрино с CNB и фотонами с CMB (которые хотя и имеют меньшие энергии, однако являются самыми многочисленными и равномерно распределенными частицами). И независимо от того, как вы созданы и сколько энергии есть, избежать радиации, которой уже +13800000000 лет, невозможно.
Экстремальное ускорение
Когда мы задумываемся о частицах, которые будут двигаться быстрее, первое, что приходит в голову — это частицы с крупнейшими во Вселенной энергиями. И места их поисков также должны иметь наиболее экстремальные условия: большие энергии, сверхмощные поля. Это могут такие разрушительные объекты Космоса, как нейтронные звезды и черные дыры. Они имеют не только сильные гравитационные поля во Вселенной, однако, в теории, и сильные электромагнитные.
Очень сильные поля образуются заряженными частицами или на поверхности нейтронной звезды, или в аккреционном диске вокруг черной дыры. Эти частицы движутся со скоростью близкой к скорости света. Своим движением заряженные частицы генерируют магнитные поля, которые ускоряют частицы, движущиеся сквозь них. Это ускорение вызывает не только излучение света с большим количеством волн различной длины (в том числе рентгеновских и радиоволн), но и излучения частиц с наибольшей энергией — космических лучей.
В то время, когда Большой адронный коллайдер на Земле ускорял частицы до 99,999999% скорости света или 299 792 455 м/с, мощные космические лучи имеют энергию в 36 миллионов раз больше энергии быстрых протонов, когда-либо созданных коллайдером. Если предположить, что эти космические лучи также созданы из протонов, мы получим скорость 299792457,99999999999992 м/с. Это очень близко, но все еще меньше скорости света в вакууме.
Пион и предел ГЗК
И здесь мы возвращаемся к проблеме освещенной выше. Космическое пространство не является вакуумом. Независимо от того, насколько сильна энергия созданной частицы, она должна пройти через радиационную ванну, оставшейся после Большого взрыва.
Несмотря на то, что это излучение экстремально холодное, при средней температуре около 2,725 градуса по Кельвину в нем средняя энергия каждого фотона не столь малая, чтобы ею пренебречь, и составляет 0,00023 электронвольт (eV). И хотя это небольшое число, космические лучи, которые взаимодействуют с ним, могут быть чрезвычайно энергетичными. А значит каждый раз, когда заряженная частица с высокой энергией взаимодействовать с этим фотоном, она имеет шанс создать новую частицу.
Например, частица с энергией более 5, умноженного на 10 в 19 степени электронвольт (eV) или 50 эксаэлектровольт, сможет путешествовать несколько миллионов световых лет до того, как один из фотонов, которые остались после Большого взрыва, вступит во взаимодействие с ней. Когда это произойдет, энергии будет достаточно для создания нейтрального пиона. Новый пион займет часть энергии исходного луча. Чем энергетичнее частица, тем более вероятно, что она будет создавать пионы, пока не достигнет теоретического предела космической энергии, известной как предел ГЗК (предел Грайзена — Зацепина — Кузьмина). Частицу также может замедлять взаимодействие с любыми другими частицами межзвездной и межгалактической среды, в ходе которой она будет выделять пары электронов-протонов и других частиц. Таким образом, конечная скорость каждой частицы в космосе имеет ограничения гораздо ниже скорости света и часто намного меньше ее.
И если обнаруживают частицы, имеющие скорость приближенную к скорости света, это означает, что:
- они действуют по правилам, до сих пор нам неизвестных,
- они возникают гораздо ближе, чем мы думаем,
- они не протоны, а составляющие ядра.
Немного из обнаруженных частиц, способных преодолеть барьер предела ГЗК, имеют энергию более, чем 50 эксаэлектровольт. Чаще всего их энергия не превышает и 3, умноженное на 10 в 21 степени eV. А это соответствует энергетическому значению энергии ядра железа. Это подтверждает, что большинство космических лучей с экстремально высокими энергиями — тяжелые ядра, а не отдельные протоны.
Существует лимит скорости для частиц, путешествующих сквозь Вселенную, и это не предел скорости света. Значение, которое намного ниже нее, продиктовано количеством энергии, оставшейся после Большого взрыва. И с расширением Вселенной и ее охлаждением, эта граница будет медленно изменяться и постепенно приближаться к скорости света. Но пока мы созданы из материи, для нас существовать грань, которую мы не способны будем преодолеть.
Ранее сообщалось о том, что космический аппарат «Вояджер-2» может находиться вблизи межзвездного пространства.
