Парадокс маяка

Наблюдаемое расстояние, проходимое светом (слева направо) при вращении источника света. На достаточном расстоянии скорость, с которой «движется» луч, может превышать скорость света.

— Парадокс маяка это мысленный эксперимент , в котором скорость света очевидно превышена . Вращающийся луч света маяка направлен от одного объекта и попадает на второй объект. Чем дальше два объекта находятся от маяка, тем большее расстояние между ними пересекает луч света. Если объекты находятся достаточно далеко от маяка, места, где луч попадает на объект 2, будут пересекать объект с кажущейся скоростью, превышающей скорость света, возможно, передавая сигнал объекту 2 со сверхсветовой скоростью, что нарушает Альберта Эйнштейна . теорию специальная теория относительности .

Решение этого парадокса состоит в том, что можно наблюдать сверхсветовые скорости, поскольку никакие реальные частицы или информация не перемещаются от объекта 1 к объекту 2. Поперечная скорость луча по пути в небе между объектами имеет кажущуюся скорость, превышающую скорость света, но это представляет собой отдельные фотоны света. Ни один фотон не проходит путь от объекта 1 к объекту 2; фотоны светового луча движутся по радиальному пути наружу от маяка со скоростью света. Теория относительности утверждает, что информация не может передаваться быстрее света. Этот эксперимент фактически не передает сигнал от объекта 1 к объекту 2. Время, когда световой луч попадает на объект 2, контролируется человеком на маяке, а не кем-либо на объекте 1, поэтому никто на объекте 1 не может передать сообщение на объект 2 этим методом. Поэтому теория относительности не нарушается.

Парадокс

Маяк излучает мощный луч света, который преодолевает значительные расстояния от точки происхождения. Этот свет постоянно вращается по кругу вокруг маяка. Этот мысленный эксперимент предполагает, что свет, движущийся в этой ситуации, на самом деле движется быстрее скорости света. Это представляет собой парадокс, поскольку, согласно теории относительности, скорость света в вакууме одинакова для всех наблюдателей, независимо от их относительного движения или движения источника света, и ничто не может двигаться быстрее этой скорости.

Пример Луны

Расстояние, которое, по наблюдениям, преодолевает лазер на Луне (от точки А до точки Б) при движении источника света в поперечном направлении на Земле.

Подобный пример можно объяснить движением лазера по поверхности Луны . Этот парадокс возникает на основе простого принципа: если кто-то стоит на расстоянии «X» от объекта и светит лазером с одной стороны (А) объекта на другую сторону (Б) объекта, он будет иметь повернуть руку на угол «Y». Таким образом, по мере увеличения X Y будет уменьшаться, поскольку запястью придется повернуть на меньший угол, чтобы переместить лазер из точки А в точку Б. Кроме того, с меньшим углом будет коррелировать уменьшение времени, необходимого для поворота запястья. (чтобы повернуть запястье на меньший угол, потребуется меньше времени). Что касается далеких объектов, таких как Луна, возникает парадокс, когда вас просят гипотетически переместить лазер с одной стороны на другую. Повернув запястье на полградуса, человек может переместить лазер с одной стороны Луны на другую. Казалось бы, лазерная точка движется быстрее света, поскольку движение запястьем на таком большом расстоянии создаст иллюзию, что объект способен пересечь диаметр Луны (6000 км из-за кривизны) за миллисекунды. Основываясь на последующих расчетах (расстояние между точками A и B, разделенное на время, необходимое для перемещения лазера от A к B), может показаться, что световая точка движется со сверхсветовой скоростью , хотя на самом деле точки представляют собой последовательные фотоны. испускаемый источником, движущимся по поверхности Луны.

Разрешение парадокса в специальной теории относительности

Парадоксальный аспект каждого из описанных мысленных экспериментов вытекает из специальной теории относительности Эйнштейна , которая провозглашает скорость света (около 300 000 км/с) верхним пределом скорости в нашей Вселенной. Равномерность скорости света настолько абсолютна, что независимо от скорости наблюдателя, а также скорости источника света скорость светового луча должна оставаться постоянной.

При рассмотрении движения изображения, созданного лазером на Луне, пришлось бы нарушить некоторые физические ограничения, чтобы проследить видимую траекторию на сверхсветовых скоростях. Чтобы приблизиться к скорости света и, следовательно, превысить ее, объект должен быть ускорен за счет бесконечного потенциала, что невозможно в физической вселенной. Процесс ускорения также приведет к тому, что объект будет иметь бесконечную массу, что не только логически невозможно, но также вызовет серьезные гравитационные эффекты в окружающем пространстве-времени . Однако эти эффекты не имеют эмпирических подтверждений, что позволяет сделать вывод, что существует простое физическое объяснение.

Фундаментальное непонимание этого парадокса заключается в предположении, что проецируемое световым лучом изображение является физическим объектом и, следовательно, должно подчиняться физическим законам. На самом деле никакие физические законы не нарушаются, поскольку не существует физического объекта, движущегося быстрее света. Этот парадокс использует кинематические процессы для объяснения движения этого видимого объекта. Однако проецируемое изображение на Луну или изображение, создаваемое маяком, не является реальным объектом. Кажущееся боковое движение по поверхности Луны является результатом движения источника света посредством некоторого углового вращения, а не сверхсветового движения по его поверхности. Угловое движение источника создает перемещение изображения, проецируемого на Луну, пропорционально расстоянию между экраном (в данном случае Луной) и источником. Таким образом, если подойти достаточно близко к Луне и повернуть лазер на тот же угол, изображение будет двигаться с досветовой скоростью, хотя ничего, что должно было бы повлиять на его скорость, не изменилось. Если бы изображение было физическим объектом, оно должно было бы иметь возможность перемещаться по поверхности Луны с одинаковой скоростью независимо от расстояния до наблюдателя. Понимая это, парадокс начинает раскрываться.

Движение из точки А в точку Б можно представить как совокупность фотонов, каждый из которых движется по разной траектории от Земли до Луны.

Естественно представить это явление как множество неподвижных фотонов в одном луче света, создающем пятно на Луне. Чтобы изображение могло перемещаться от одного конца Луны к другому, каждый фотон должен перемещаться вбок вместе с движением проекции. В действительности это не так: луч света представляет собой совокупность движущихся фотонов , и в каждый момент разные группы фотонов, обнаруживаемые глазом наблюдателя, создают изображение, видимое на поверхности Луны. Кажущееся боковое движение вызвано тем, что новые фотоны перемещаются по другому пути от источника света к Луне, что вызвано вращением источника, попадая в соседнюю позицию во всех случаях во время вращения. Движение из точки А в точку Б можно визуализировать с помощью набора фотонов, каждый из которых движется по разной траектории от Земли до Луны. Парадокс решается как результат геометрии системы, вызывающей иллюзию сверхсветового движения, а не действительно происходящего сверхсветового движения.

Последняя проблема с этим объяснением заключается в том, что между движением запястья и движением изображения на Луне, по-видимому, нет задержки — процесс, который ожидается, если разрешение фотонов правильное. Это не отменяет разрешения парадокса. Кажущаяся одновременность является результатом большой величины скорости света и неспособности наблюдателей обнаружить изменения так быстро. В идеальных условиях ожидаемая задержка была бы заметной.