Космічний вакуум, якого не існує
Коли у вчених мова йде про швидкість світла (299 792 458 м/с), то на увазі мається швидкість світла у вакуумі. І її можна досягти лише за відсутності часток, полів та будь-якого іншого середовища, через яке здійснюється подорож. Але і за таких умов наблизитись до неї можуть лише безмасові частки та хвилі: фотони, гравітаційні хвилі, й більше нічого з того, що нам відомо. Адже у кварків, лептонів, нейтрино та гіпотетичної темної матерії є маса, як характерна їх властивість. Відповідно всі об’єкти створені з цих часток (протони, атоми й люди) також її мають. В результаті вони можуть наблизитися до швидкості світла у вакуумі, але не можуть її досягти. Й це незалежно від того скільки енергії ви вкладете в об’єкт.
Однак є ще одна проблема. Такого явища, як ідеальний вакуум, практично не існує. Навіть в найбільших безоднях міжгалактичного простору є три речі яких неможливо позбутися:
- Тепло-гаряче міжгалактичне середовище (“warm-hot intergalactic medium”, WHIM). Ця слабка, рідка плазма є залишками космічної павутини. Хоча частина матерії зосередилася в зірках, галактиках і більших скупченнях, частина її лишається в великих порожнинах Всесвіту. Зоряне світло іонізує цю матерію, створюючи плазму, яка може займати близько 50% від загальної нормальної речовини Всесвіту.
- Реліктове або космічне мікрохвильове випромінювання (“cosmic microwave background”, CMB). Це ванна фотонів, що залишилася ще від Великого вибуху — часів екстремально великих енергій. Навіть сьогодні при температурі всього на 2,7 градуса вище абсолютного нуля в кубічному сантиметрі простору міститься більше ніж 400 CMB фотонів.
- Нейтринне реліктове випромінювання (“cosmic neutrino background”, CNB). Великий вибух, крім армії фотонів, створив ванну нейтрино. Можливо, через переважаючу кількість протонів багато цих, тепер повільних, часток потрапляють в галактики та кластери, але частина з них лишається в міжгалактичному просторі.
Таким чином, будь-яка частинка, що мандруватиме Всесвітом, буде зіштовхуватися з частками WHIM, нейтрино з CNB та фотонами з CMB (які хоча і мають найменше енергії, проте є найчисельнішими та рівномірно розподіленими частинками). Й незалежно від того, як ви створені та скільки енергії маєте, уникнути радіацію, якій вже 13,8 млрд років, неможливо.
Екстремальне прискорення
Коли ми задумуємося про частинки, котрі будуть рухатися найшвидше, перше, що приходить в голову — це частки з найбільшими у Всесвіті енергіями. Й місця їх пошуків також повинні мати найбільш екстремальні умови: великі енергії, надпотужні поля. Це можуть такі руйнівні об’єкти Космосу, як нейтронні зірки та чорні діри. Вони мають не лише найсильніші гравітаційні поля у Всесвіті, проте, в теорії, й найсильніші електромагнітні.
Надзвичайно сильні поля утворюються зарядженими частинками або на поверхні нейтронної зірки, або в акреційному диску довкола чорної діри. Ці частинки рухаються зі швидкістю близькою до швидкості світла. Своїм рухом заряджені частинки генерують магнітні поля, котрі прискорюють частки, що рухаються крізь них. Це прискорення викликає не лише випромінювання світла з великою кількістю хвиль різної довжини (в тому числі рентгенівських та радіохвиль), проте й випромінювання часток з найбільшою енергією — космічних променів.
В той час, коли Великий адронний колайдер на Землі прискорював частки до 99,999999% швидкості світла або 299 792 455 м/с, найпотужніші космічні промені мають енергію в 36 млн разів більшу за енергію найшвидших протонів, будь-коли створених колайдером. Якщо припустити, що ці космічні промені також створені з протонів, ми отримаємо швидкість 299 792 457,99999999999992 м/с. Це дуже близько, проте все ще менше швидкості світла у вакуумі.
Піон та межа ГЗК
І тут ми повертаємося до проблеми освітленої вище. Космічний простір не є вакуумом. Незалежно від того на скільки сильною є енергія створеної частки, вона має пройти крізь радіаційну ванну, що залишилася після Великого вибуху.
Попри те, що це випромінювання екстремально холодне, за середньої температури близько 2,725 градуса Кельвіна в ньому середня енергія кожного фотону не є настільки малою, щоб нею знехтувати, й становить 0,00023 електрон-вольт (eV). Й хоча це невелике число, космічні промені, які взаємодіють з ним, можуть бути надзвичайно енергійними. А отже кожен раз, коли заряджена частинка з високою енергією взаємодіятиме з цим фотоном, вона має шанс створити нову частку!
Наприклад, частка з енергією понад 5 × 1019 eV, зможе подорожувати кілька мільйонів світлових років до того, як один з фотонів, що лишилися після Великого вибуху, вступить у взаємодію з нею. Коли це станеться, енергії буде достатньо для створення нейтрального піону. Новий піон забере частину енергії вихідного променя. Чим більш енергетична частка, тим більш ймовірно, що вона створюватиме піони, доки не сягне теоретичної межі космічної енергії, відомої як межа ГЗК (або межа Грайзена — Зацепіна — Кузьміна). Частку також сповільнюватиме взаємодія з будь-якими частками міжзоряного та міжгалактичного середовища, в ході якої вона виділятиме пари електронів-протонів та інших часток. Таким чином, кінцева швидкість кожної частки в космосі має обмеження набагато нижчі за швидкість світла й часто є набагато меншою за неї.
І якщо виявляють частки, що мають швидкість наближену до швидкості світла, це означає, що:
- вони діють за правилами досі нам невідомими,
- вони виникають набагато ближче ніж ми думаємо,
- вони не протони, а складові ядра.
Небагато з виявлених часток, здатних подолати бар’єр ГЗК, мають енергію більше ніж 5 × 1019eV. Найчастіше їх енергія не перевершує і 3 × 1021 eV. А це відповідає енергетичному значенню енергії ядра заліза. Це підтверджує, що більшість космічних променів з екстремально високими енергіями — важкі ядра, а не окремі протони.
Існує ліміт швидкості для часток, що подорожують крізь Всесвіт, і це не ліміт швидкості світла. Значення, яке є набагато нижчим за неї, продиктоване кількістю енергії, що залишилася після Великого вибуху. Й з розширенням Всесвіту та його охолодженням, ця межа буде повільно змінюватися й поступово наближатися до швидкості світла. Але допоки ми створенні з матерії, для нас існуватиме грань, яку ми не здатні будемо подолати. |
