Увлекательная история о высшем космическом законе

Ниже приводится выдержка из нашего информационного бюллетеня «Затерянные в пространстве-времени». Каждый месяц мы погружаемся в увлекательные идеи со всей Вселенной. Ты можешь зарегистрируйтесь на «Затерянные в пространстве-времени» здесь.

Если вы посещали курс физики на университетском уровне, у вас останутся «приятные» воспоминания о том, как вас попросили измерить скорость света и – если за несколько часов вам удалось правильно выстроить зеркала, линзы и источник света – получить ответ чуть менее 300 миллионов метров в секунду. Это основополагающая константа в физике, которую очень важно понимать, если вы хотите вообще что-то узнать о Вселенной.

Когда мы смотрим в космос, свет — наш единственный ресурс — ну, не совсем единственный, но гравитационные волны довольно ограничены в том, что они могут показать нам прямо сейчас, поэтому, пожалуйста, простите небольшое преувеличение. Практически каждый прорыв в астрономии и космологии основан на сборе света, прошедшего миллионы или миллиарды лет от границ реальности. Даже свет от самой ближайшей к нашей Солнечной системе звезды путешествовал к нам более четырех лет. Время, необходимое свету для перемещения, может быть одной из самых полезных – и наименее интуитивно понятных – частей физики.

Люди спорили о скорости света задолго до того, как мы имели представление о том, что такое свет на самом деле. На протяжении веков многие из самых светлых умов думали, что свет на самом деле излучается из ваших глаз, как своего рода фонарь, отчасти из-за того, как глаза некоторых животных светятся в темноте под определенными углами. Несмотря на это, они все еще спорили о том, передается ли свет мгновенно или требуется время, чтобы пройти, и это не было должным образом проверено до 17 века.

Самые ранние попытки количественной оценки включали установку фонаря на некотором расстоянии от наблюдателя и измерение разницы во времени между тем, как фонарь был открыт, и наблюдателем, видящим его свет. Это не сработало (Галилей и его современники не смогли получить убедительные измерения, поскольку наблюдатели находились слишком близко к фонарям), и в конце концов ученые перешли к более сложным и точным методам. Первый из них, который действительно сработал, появился в 1675 году, когда Оле Рёмер работал над измерением периода обращения спутника Юпитера Ио. Рёмер заметил, что период, казалось, менялся по мере того, как расстояние между Землей и Юпитером смещалось с течением времени, что совершенно не имело смысла – почему орбита Ио должна иметь какое-то отношение к положению Земли? На самом деле, оно казалось другим только из-за времени, которое требуется свету, чтобы пройти от Ио до Земли, которое короче, когда они находятся ближе друг к другу. Один из его коллег, Христиан Гюйгенс, провел математические расчеты и обнаружил, что скорость света составляет около 220 000 000 метров в секунду. Это было не совсем верно, отчасти потому, что мы еще не знали подробностей движения Земли, но это примерно так, и оценки стали лучше, поскольку ученые разработали более точные методы измерения. К середине 18^й измеренные значения находились в пределах нескольких процентов от принятого в настоящее время числа в 299 792 458 метров в секунду для скорости света в вакууме.

Возникает два вопроса: почему скорость света является таким случайным числом и почему вообще существует ограничение скорости? На первый ответить легко: это связано с нашими единицами измерения, потому что метры и секунды (или мили и часы, или любые другие повседневные единицы, которые вы хотите использовать) были впервые определены в терминах человеческого опыта мира (миля, например, была тысячей шагов), что не имело ничего общего с фундаментальными константами. Второе сложнее и связано со специальной теорией относительности.

Мы найдем ответ, пожалуй, в самом известном из когда-либо написанных уравнений: e=mc.². Это имеет множество последствий, но на самом базовом уровне это означает, что мы можем думать об энергии и массе как о взаимозаменяемых понятиях. Когда объекты движутся с необычайно высокими, или релятивистскими, скоростями, мне нравится думать о них просто как о наличии импульса, который представляет собой комбинацию их массы и скорости. Если вы хотите ускорить объект, вам придется вкладывать в него все больше и больше энергии. Массивный объект, движущийся со скоростью света, будет иметь бесконечный импульс, который можно рассматривать как бесконечную энергию или бесконечную массу. Это просто невозможно: к тому времени, когда объект приблизится к скорости света, его масса станет настолько огромной, что дальнейшее ускорение станет невозможным. Но свет не имеет массы, поэтому легко обходит эту проблему.

Специальная теория относительности также означает, что внешний стационарный наблюдатель увидел бы что-то действительно странное, наблюдая за этим. Когда объект движется с релятивистской скоростью, снаружи кажется, что время для этого объекта замедляется. Если бы я удалялся от вас со скоростью 99 процентов скорости света, вы бы увидели, как мое старение замедляется. Это называется замедлением времени. Другой момент называется сокращением длины: если бы я летел от вас головой вперед, в стиле Супермена, вы бы также увидели, что я становлюсь все короче и короче по мере того, как я становлюсь быстрее. В моей быстрой системе отсчета я не чувствовал бы замедления времени или своего сжатия, но снаружи, чем ближе я приближался к скорости света, тем ниже ростом и нестареющим я становился.

Это проблема, потому что, если бы я когда-нибудь достиг скорости света, наблюдатель со стороны увидел бы, что время для меня полностью остановилось, когда мой рост достиг нуля. Я исчезну вместе с пространством-временем, путешествующим вместе со мной. К счастью для меня, законы физики этого не позволяют. Единственные вещи, которые могут достичь этого предела скорости, не имеют массы: фотоны, глюоны, эффекты гравитации и все. Ничто не может путешествовать в пространстве-времени быстрее.

Вместо того, чтобы расстраиваться из-за этого космического ограничения скорости, мы можем радоваться, потому что скорость света имеет одно очень важное следствие: сама идея последствий. Вся физика, все наше понимание всего сущего основано на причинно-следственной связи, на идее, что следствие всегда следует за причиной, а не наоборот.

Подумайте об этом так: когда я приближаюсь к скорости света, вы наблюдаете, как время для меня замедляется. Если бы я достиг скорости света, он бы остановился. А если бы я продолжал идти еще быстрее, он начал бы двигаться в противоположном направлении. Путешествуя быстрее скорости света, как это видно из вашей системы отсчета, я бы переместился назад во времени. Если бы я послал вам сигнал, который распространялся быстрее скорости света, как какое-то магическое текстовое сообщение, бросающее вызов физике, вы бы получили его раньше, чем я его отправил. Без нашего универсального ограничения скорости было бы невозможно сказать, какое событие вызвало какой эффект – все во Вселенной было бы практически непонятно.

Это подводит меня к заключительному пункту, который я нахожу одновременно умопомрачительным и забавным для размышления. Если каждому сигналу требуется время для распространения, и время движется по-разному в системах отсчета, которые движутся с разной скоростью относительно друг друга, что означает, что два события происходят «одновременно»? Если я подмигиваю себе в зеркало, то подмигивание, которое я вижу в отражении, на самом деле происходит лишь на крошечный отрезок времени позже, чем подмигивание, которое я сделал физически, потому что свет должен был отразиться от моего лица, затем от зеркала, а затем вернуться к моим глазам, чтобы воспринимать. Если вы скажете, что два события в разных местах космоса произошли одновременно, я должен спросить: «По мнению кого?». В зависимости от расстояния между двумя точками, возможно, что для одного наблюдателя Событие 1 произойдет первым, а для другого Событие 2 предшествует Событию 1. Не существует такого понятия, как объективная одновременность – нет такого понятия, как «одно и то же время» – и все потому, что свет имеет скорость. Дико, да?