Как фотоните възприемат времето?

Оригиналът е на Ethan Siegel

6
1677

„Всеки има своята мечта. Бих искал да живея до зори, но знам, че ми остават по-малко от три часа. Ще бъде нощ, но няма значение. Умирането е просто. Не отнема дневна светлина. Така да бъде: ще умра при светлината на звездите“. – Виктор Юго.

Движейки се със скоростта на светлината, фотоните излъчени от Слънцето достигат до Земята за около 8 минути. Пътуването на разстояние 150 милиона километра в космоса не е проблем за светлината, но за нас това означава, че гледайки Слънцето, ние го виждаме каквото е било малко преди това, а не каквото е точно в настоящия момент. Ако слънцето някак изчезне още сега, ние няма как веднага да разберем това – нито чрез промените на светлината, нито чрез промените в гравитацията – докато не изминат 8 минути.

Но как изглежда всичко това от гледната точка на фотона? Известно е, че ако нещо се движи със скорост близка до скоростта на светлината, започват да действат законите на Специалната теория на относителността на Айнщайн, според които времето започва да се забавя, а дължината да намалява. Но фотоните се движат със скорост не просто близка, а равна на скоростта на светлината. Интересно, колко ще остарее фотонът излъчен от Слънцето през това време, докато достигне Земята?

Сложно ще бъде да се спори с вас, ако интуитивно отговорите на този въпрос ‘с осем минути’. Но всъщност фотонът е остарял с осем минути само от наша гледна точка. Ако разходката от около 800 метра до магазина ви отнема 8 минути докато влеете в магазина, то това означава, че сте остарели с тези 8 минути. А ако продавачът е видял, че отивате към неговия магазин, то и за него вие сте остарели с осем минути. И ако строго се придържаме към нютоновото определяне на времето – като абсолютна величина, то това би трябвало да важи и да е истина за всичко останало. Всички и навсякъде биха усещали, че времето върви с еднаква скорост при всякакви обстоятелства. Само че в този случай скоростта на светлината няма как да е постоянна величина.

Представете си, че сте някъде на земята и светите с фенерче в направление, където на разстояние една светлинна секунда се намира обект. А сега си представете, че бягате към този обект, все така светейки с фенерчето. Навярно ще си помислите, че колкото по-бързо се движите, толкова по-голяма трябва да стане скоростта на светлината, понеже към нея ще бъде прибавена скоростта, с която бягате.

Защо би станало така?

Да си представим, че носите със себе си часовник, но не от тези със зъбчатките, а часовник, в който един единствен фотон светлина се отразява нагоре-надолу между две огледала. Ако този часовник е в покой, то този фотон ще си се движи между двете огледала и секундите ще протичат както обикновено. Но как би се променила ситуацията, ако този часовник се движи?

Изглежда очевидно, че времето между отраженията ще се увеличи, ако скоростта на светлината остане постоянна. Ако времето течеше с еднаква скорост за всички и навсякъде и при всякакви условия, то скоростта на светлината може да бъде всякаква и да се увеличава със скоростта на движение на източника светлина от горния пример. Нещо по-лошо, ако този хипотетичен човек с фенера се движи изключително бързо и обърне фенерчето назад, то ние бихме видели, че светлината не се движи и е почти в покой.

Само че не става така и скоростта на светлината във вакуум не се променя при никакви ситуации и веднага става ясно, че тази представа не е вярна.

През 1905 година Айнщайн е предложил своята Специална теория на относителността и отбелязва, че провалът на експеримента на Майкелсън-Морли, както и промените в дължината и скоростта на течение на времето могат да се обяснят единствено ако скоростта на светлината във вакуум е универсална константа – c. А това означава, че бързо движещият се наблюдател ще види, че е изминал по-кратко разстояние и е пътешествал по-малко, отколкото се струва на друг наблюдател в състояние на покой.

Космическият кораб Союз, скачен с МКС, ще върне на Земята космонавти, които са остарели малко по-малко заради релативисткото разтягане на времето

Всъщност, след вашето посещение на магазина, според теорията на Айнщайн, вашия часовник – ако бе идеално точен и сверен с подобния часовник на продавача, би изостанал с почти 2 наносекунди относително часовника на продавача. Ефектите на относителността, въпреки че в обикновени условия са съвсем малки, винаги се проявяват.

Причината е в това, че обектите не просто се движат в пространството и не само се преместват напред във времето. Това се случва понеже пространството и времето са обединени в една обща тъкан, която е прието да наричаме пространствено-времеви континуум.

За първи път това бе осъзнато през 1908 година от Герман Минковски, един от бившите учители на Айнщайн, който казва:

‘Възгледите за пространството и времето, които искам да представя на всички, прорасна на почвата на експерименталната физика и в това е тяхната сила. Те са радикални. Мога да кажа, че пространството само по себе си и времето само по себе си изчезват в сенките, а независимата реалност е тяхното обединение в едно цяло’.

Идеята е следната: всички и всичко съществуващо винаги се движат в пространствено-времевия континуум по точно определен начин. Не само в пространството и не само във времето, а именно в този двоен континуум.

Разтягането на времето отляво и скъсяването на разстоянието отдясно показват, по какъв начин изглежда, че времето тече по-бавно, а разстоянията се скъсяват при приближаване скоростта на светлината

Ако от една гледна точка вие се движите бързо в пространството, то по отношение на времето, при тази скорост, за вас то тече по-бавно. Ето защо посещаването на магазина ви е отнело с 2 наносекунди по-малко в сравнение с часовника на продавача – вие сте се движели в пространството по-бързо от него, а това означава, че времето за вас е текло по-бавно в сравнение с неговото време. Ако по пътя към този хипотетичен магазин сте се движили със скорост близка до скоростта на светлината – около 99,9999999% от c, то за продавача би изминало 22 000 пъти повече време, отколкото за вас.

След тези разяснения, нека се върнем към фотона. Той не се движи просто със скорост близка до скоростта на светлината, а точно със скоростта на светлината. И всички наши формули, които се описват да опишат поведението на наблюдател, движещ се със скоростта на светлината, за отговор дават безкрайност. Но безкрайността съвсем не означава грешка във физиката. Понякога тя означава, че физиката противоречи на интуицията. Когато се движите със скоростта на светлината, това означава че:

  • Вие по принцип не можете да имате маса. Ако все пак имахте маса, то това означава да пренасяте през пространството безкрайно количество енергия. Вие няма как да имате маса
  • Вие няма да можете да възприемете вашето пътешествие през пространството. Всички разстояния по посока на вашето направление на движение ще се превърнат в точки
  • Вие няма да можете да възприемете течението на времето. Вашето пътешествие ще ви изглежда мигновено

За един наблюдател, който се намира на Земята, Слънцето излъчва светлина, която този наблюдател може да види след 8 минути и 20 секунди, колкото са необходими, за да се измине това разстояние със скоростта на светлината. Но ако ‘на борда’ на този фотон имаше часовник, то за нас той би изглеждал напълно спрял. Така тези над 8 минути за нас протичат както обикновено, но за фотона времето не тече.

Това е още по-учудващо когато отправяме поглед към отдалечените галактики на Вселената.

На излъчената от тях светлина са необходими милиарди години, за да достигне до нас – наблюдателите, които се намират в Млечния път. През това време разширяването на Вселената принуждава пространството да се разтяга, а от това енергията на тези фотони значително намалява и имаме космологичното червено отместване. Но въпреки това, за фотона времето не тече – от хипотетично негова гледна точка, той се излъчва и веднага се поглъща, като цялото това пътешествие за него е буквално мигновено. Може да се каже, че според това, което ни е известно към днешен ден, фотонът въобще не остарява.

5 5 гласа
Оценете статията
Абонирай се
Извести ме за
guest
6 Коментара
стари
нови оценка
Отзиви
Всички коментари