Номер 4, страница 114, часть 1 - гдз по физике 7 класс учебник Белага, Воронцова

Часть 1. Глава 3. Движение, взаимодействие, масса. Параграф 30. Лабораторные и исследовательские работы. Темы исследовательских и проектных работ - номер 4, страница 114.

Условие.

• Как достичь скорости света.

Решение.

Как достичь скорости света.

Согласно современной физике, в частности специальной теории относительности (СТО) Альберта Эйнштейна, объект, обладающий массой покоя, принципиально не может достичь скорости света в вакууме ($c \approx 299~792~458$ м/с). Приближаться к этой скорости можно сколь угодно близко, но достичь её — невозможно. Это связано с фундаментальными свойствами пространства-времени и энергии.

Ключевым фактором является энергия, необходимая для ускорения объекта. Полная энергия движущегося объекта ($\text{E}$) связана с его массой покоя ($m_0$), скоростью ($\text{v}$) и скоростью света ($\text{c}$) следующей формулой:

$E = \gamma m_0 c^2$

где $\gamma$ — это так называемый лоренц-фактор, который зависит от скорости и вычисляется как:

$\gamma = \frac{1}{\sqrt{1 - v^2/c^2}}$

Проанализируем эту формулу. Когда скорость объекта $\text{v}$ увеличивается и приближается к скорости света $\text{c}$, отношение $v^2/c^2$ стремится к 1. В результате знаменатель $\sqrt{1 - v^2/c^2}$ стремится к нулю. Когда знаменатель дроби стремится к нулю, сама дробь (в данном случае, лоренц-фактор $\gamma$) стремится к бесконечности ($\gamma \to \infty$).

Следовательно, энергия $\text{E}$, необходимая для дальнейшего ускорения, также стремится к бесконечности. Поскольку во Вселенной нет бесконечного источника энергии, невозможно сообщить объекту с массой энергию, достаточную для достижения скорости света.

Скорость света в вакууме — это предел, достижимый только для безмассовых частиц. Самым известным примером таких частиц являются фотоны — кванты электромагнитного излучения (в том числе и видимого света). Поскольку их масса покоя $m_0$ равна нулю, они существуют, только двигаясь со скоростью света. Они не ускоряются до этой скорости, а "рождаются" уже с ней.

Таким образом, для любого объекта с ненулевой массой (будь то космический корабль, электрон или пылинка) скорость света является недостижимым пределом. Можно потратить огромное количество энергии, чтобы разогнать объект до скоростей, очень близких к световой (например, 99,999999% от скорости света, как это делается в ускорителях частиц), но преодолеть барьер в 100% невозможно.

Ответ: Объект, обладающий массой, не может достичь скорости света, так как для этого потребовалась бы бесконечно большая энергия. Двигаться со скоростью света могут только безмассовые частицы, такие как фотоны.