Почему нельзя добиться скорости выше скорости света? Почему она максимальна?
Потому что «скорость света» – не самое удачное название. Правильнее было бы говорить о «скорости причинности» – максимальной скорости, с которой один объект может влиять на другой. Скорости распространения информации во Вселенной, грубо говоря.
Безмассовые частицы в вакууме (такие как фотоны света) двигаются с этой скоростью (и не могут двигаться медленнее). Частицы, обладающие массой, не могут достигнуть этой скорости в принципе.
Но, в принципе, поскольку «скорость света» – это не столько про свет, сколько про причинность, есть ситуации, когда движение быстрее скорости возможно. Например, черенковское излучение. Но передавать информацию из точки А в точку Б быстрее скорости причинности фундаментально невозможно.
Если бы у нас была бесконечная скорость причинности, у нас не было бы ни пространства, ни времени, ни материи. Если бы событие А могло моментально влиять на объект Б в противоположной части вселенной, вся вселенная фактически была бы одним большим Здесь и Сейчас. Да и знаменитая формула E=mc2 выглядела бы E=m∞2. И я думаю, не нужно быть великим физиком, чтобы понять, что масса, умноженная на бесконечность в квадрате, даст нам энергию, равную бесконечности.
Как можно простыми словами объяснить теорию Большого взрыва?
Большой взрыв – определяющее событие для нашей Вселенной и всего в ней. Все, что вы видите вокруг себя, все-все-все, каждое дерево, каждая вещь в вашей квартире, каждая капля воды состоят из веществ, появившихся после Большого взрыва. Момент Большого взрыва – момент начала времени и пространства.
Суть в том, что примерно 13,7 миллиардов лет назад внезапно возникла вся наша Вселенная. Все началось с сингулярности (это очень-очень маленькая и очень-очень горячая точка с огромной плотностью, просто бесконечно большой), которая внезапно «взорвалась» и начала расширяться. Очень быстро расширяться. После Большого взрыва, но задолго до того, как прошла первая секунда, космос увеличивается в 1050 раз (всего за маленькую долю секунды!), затем расширение замедляется (но первая секунда все еще не наступила). Вселенная в этот момент представляет собой такой горячий кипящий «бульон» из частиц. Затем космос быстро остывает (первая секунда все еще не наступила!). Примерно на 3 минуте Вселенная уже представляет собой сверхгорячий туман, и только через 300 000 лет температура понижается до 10 000 градусов Цельсия. Через 1 млрд лет после Взрыва температура достигает -200 градусов, и начинают формироваться гигантские «облака», которые потом станут галактиками. Появляются первые звезды. Галактики образуют скопления. Первые звезды умирают, выбрасывая элементы, образующие новые звезды и планеты.
После Большого взрыва Вселенная и по сей день расширяется и охлаждается, но все еще остается тайной то, почему произошел сам взрыв (а еще мы думаем, что до него ничего не было, но есть и гипотезы, говорящие о том, что и до этого Вселенная могла существовать).
Почему возле черной дыры, на других планетах и галактиках время будет идти медленнее?
В первую очередь это не совсем так. Но, поскольку вы, судя по всему, совсем не понимаете, о чем речь, ответ нужно начинать сильно издалека и говорить не совсем про это и упрощенно. Очень упрощенно, так что не кидайтесь сильно тухлыми помидорами. Все на самом деле сложнее и запутаннее, чем в моем ответе, но для начальных знаний сойдет, я думаю.
Время – неотъемлемая часть пространства-времени. Ну, из названия можно понять, да. Время и пространство весьма тесно связаны. Так вот, если мы сложим много энергии в ограниченный объем этого пространства-времени, это вызовет его искажения. Самый очевидный эффект этого искажения – гравитация. В школе до сих пор учат, что гравитация – это сила вроде электромагнитной, и в разговоре часто упоминается как сила, и в ньютоновской механике, которую мы используем для большинства повседневных расчетов, мы обходимся с ней как с силой. Так вот, это не так. Это просто удобный трюк, чтобы не перегружать мозги и упростить расчеты, который дает приемлемые результаты. Приемлемые результаты, пока мы не говорим об объектах размером планету и двигающихся со скоростью в тысячи километров в секунду. Ну или пока нам не нужна временная точность до стотысячной доли секунды.
Так вот. Гравитация – это не сила. Это искажение геометрии пространства-времени. Солнце не притягивает Землю, а искажает пространство таким образом, что, двигаясь по прямой, Земля возвращается в ту же точку, откуда и начала. Грубо говоря. Все еще сложнее, но для начала сойдет. Чтобы было легче понять, о чем речь, представьте просто полоску бумаги, свернутую в кольцо. Если вы попробуете рисовать на ней прямую линию вдоль – рано или поздно вы вернетесь в начало, хотя никуда не поворачивали. Полоска бумаги в данном случае – двумерное пространство, искаженное в третьем измерении. Это, опять же, не совсем корректная аналогия, но дает представление о том, как можно, двигаясь по прямой, возвращаться в самое начало.
Так вот, при чем тут время? Опять же, мы говорим не о времени и не о пространстве, а пространстве-времени. Искажая пространство, мы искажаем и время. Да. На этом месте обычно мозг начинает коллапсировать и визуализировать, как это может выглядеть – это трудно. Поэтому это и не учат в школе, видимо.
Так вот, в тех же черных дырах сосредоточено столько энергии в настолько небольшом пространстве (и времени!), искривление пространства-времени столь велико, что, в какую бы сторону ты ни двигался, ты будешь двигаться внутрь. Время же перестает двигаться вообще и утрачивает всякий смысл.
То же самое происходит и на больших скоростях. Потому что, чтобы набрать скорость, мы должны добавить энергию. Чем больше мы приближаемся к скорости света, тем больше искажений происходит. При этом тут хитрость: для людей снаружи космического корабля искажается время, и им кажется, что время внутри корабля идет медленнее. Для людей же внутри корабля время идет нормально, но искажается пространство снаружи, так что расстояния становятся меньше.
То есть, отвечая на ваш вопрос (наконец-таки!), время будет идти медленнее там, где больше энергии сосредоточено в меньшем пространстве.
Ах да, почему я все время говорю про энергию, а не массу, солнце и планеты – они ж массивные? Потому что E=mc2. То есть энергия – это масса, помноженная на квадрат скорости света. Масса, в свою очередь, m=E/c2, то есть энергия, деленная на скорость света. Так что проще говорить именно про энергию.
Что означает, что SpaceX намерена разработать корабль, который сможет совершать посадки «в любом месте Солнечной системы»?
Данное высказывание относится к новому проекту SpaceX, Red Dragon. Это беспилотный аппарат, который компания собирается отправить в 2018 году на Марс для взятия образцов грунта и для отработки системы приземления.
Так как посадка на Марс весьма затруднительна из-за разреженной атмосферы (низкое атмосферное давление и низкая плотность атмосферы относительно Земной), то использовать методы посадки в виде коконов из пневматических мешков или с помощью парашютов бессмысленно. Самое тяжелое, что удалось посадить на Марс – это марсоход Curiosity, вес которого примерно 1 тонна, да и для него пришлось использовать сложную систему из ракетных двигателей, которая носит классное название «небесный кран». Система помогла значительно сбросить скорость перед самой посадкой, предварительно скорость была снижена с помощью парашюта, который раскрылся после входа в атмосферу, размером он был с семиэтажный дом.
А теперь представьте себе Red Dragon, масса которого будет 6,5 тонн + 1 тонна полезного груза. Это как семь с половиной Curiosity одновременно (сложно!). Маск планирует использовать тепловой щит собственной разработки и систему посадки на основе реактивных двигателей, по сути ничего нового, Curiosity тоже падал с тепловым щитом и использовал ракетные двигатели, так что тут вопрос в том, как это будет реализовано.
Если SpaceX осилит приземление столь массивного аппарата на такую упрямую планету, то, пожалуй, на другую планету приземлиться тоже получится, отсюда и высказывание Маска.
Как растут растения на МКС?
Идея здесь такая, что в космосе должна появиться самоподдерживающаяся система, которая бы вырабатывала кислород, биомассу и другие необходимые свойства. Прежде всего, если говорить о колонизации Луны и об использовании долговременных космических станций, то неплохо было бы получить дополнительный источник кислорода и поглощения углекислого газа, которым являются растения. И функции которого исполняет батарея с оксидом лития, поглощающая углекислый газ.
Здесь важно, чтобы космос был зеленым. В прошлом, в 60–80-е годы, когда только начиналась космическая программа, использовались одноклеточные растения – водоросли, хлореллы. И так называемая хламидомонада. Это одноклеточный зеленый планктон, который может использовать небольшое количество света, производить биомассу, выделять кислород и может служить в экстремальных случаях пищей для людей (так как вещь не особо съедобная) или пищей для рыбок или креветок, которые составят цепь экологической цепочки.
Вопрос в том, все ли будет нормально у этих растений? Какие лучше или хуже переносят невесомость? Известно, что корни растут вниз, а листья растут вверх. И это не эффект солнца, а эффект силы тяжести. В космосе в условиях невесомости есть растения, которые, как опытным путем выяснилось, не зависят от фактора гравитации, а есть те, которые зависят в большей или меньшей степени. И без экспериментов – вывоза растений в космос, – которые сейчас проводятся, мы не сможем проверить. Есть и на земле установки, имитирующие невесомость. Но опыт показывает, что в космосе результаты совсем другие. Поэтому в идеале будет отработана модель с десятком видов растений и, возможно, животных, которые питаются этими растениями.