За нас — 25 милиона години, за фотона — един миг: как изглежда Вселената от другата страна на времето

Докато мигнеш, една частица светлина обикаля Земята два пъти. Докато четеш, тя лети през космоса.

Астрофизикът Джаред Робъртс наблюдавал звездите в задния си двор в Сан Диего, когато един прост въпрос на съпругата му довел до откриването на един от най-удивителните парадокси на Вселената. Същата вечер ученият настроил телескопа си за астрофотография, въпреки ярките светлини на големия град, и го насочил към невъобразимо далечна галактика.

Съпругата му Кристин се приближава точно когато на екрана на таблета се появява първото космическо изображение. Изображението е трептяло пред тях, показвайки красотата на далечна звездна формация, обсипана с безброй светещи точки.

Робъртс казва на съпругата си, че това, което виждат, е галактиката Pinwheel (въртележка) – спирална структура, наречена така заради характерната си форма. Тази космическа „въртележка“ съдържа около трилион светила, които бавно се въртят на невъобразими разстояния от Земята.

Фотоните от галактиката са пътували през космоса цели 25 милиона години, изминавайки около 150 квинтилиона мили, за да достигнат до телескопа в калифорнийския заден двор. Мащабът е толкова грандиозен, че човешкият ум трудно може да го проумее – разстоянията между обектите във Вселената надхвърлят всяка земна мярка.

Кристина казва: „Не се ли уморява излъчването по време на толкова дълго пътуване?“. Последвал дълъг и увлекателен разговор за фундаменталните свойства на електромагнитните вълни и природата на времето.

Ученият признава, че едно от първите открития в астрофизичната му кариера е било да разбере защо поведението на светлината често противоречи на интуитивното ни разбиране за света. Хората не трябва да разчитат само на здравия разум – важно е да разбират сложните въпроси с помощта на специалистите.

Светлинните лъчи са електромагнитно излъчване – електрическа вълна, свързана с магнитна вълна, които пътуват заедно през пространство-времето. Критичното важното свойство на това явление е пълното отсъствие на маса. Всеки обект с маса (независимо дали е прашинка или космически кораб) е ограничен в максималната си скорост на придвижване в пространството.

Липсата на маса позволява на фотоните да достигнат максималната си скорост във вакуум – около 186 000 мили в секунда, което е около 300 000 километра. За една година електромагнитното излъчване покрива почти шест трилиона мили, или 9,6 трилиона километра. Нищо във Вселената не е в състояние да се движи по-бързо от тази абсолютна граница.

За да оцени неправдоподобността на подобна скорост, астрофизикът дава нагледен пример: докато мигнете, частицата успява да обиколи екватора на Земята повече от два пъти. За част от секундата квантът прелита разстояния, които биха отнели месеци на човек за да измине същото разстояние дори и с най- с най-бързия транспорт.

Космическите пространства обаче са толкова обширни, че дори тази скорост изисква значително време за преодоляване на междупланетните разстояния. За малко повече от осем минути слънчевите лъчи достигат до нас от повърхността на нашата звезда (на 93 милиона мили от нас). Така че слънчевите лъчи, които виждате сега, са напуснали Слънцето преди осем минути.

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.

Най-близката до нас звезда след Слънцето, Алфа Кентавър, е на разстояние 26 трилиона мили, или около 41 трилиона километра. Когато я наблюдавате на нощното небе, виждате нейното сияние отпреди четири години. Астрономите казват, че тя е на четири светлинни години от нас.

Сега си струва да се върнем към въпроса на Кристин, но формулиран по-научно: по какъв начин електромагнитните вълни прекосяват Вселената, без постепенно да губят енергия? Отговорът е неочакван и многостранен, противоречащ на обичайната логика.

Наистина някои фотони губят енергия по време на пътуването си. Това се случва, когато се сблъскат с препятствия като междузвезден прах и се разпръснат в различни посоки. Всеки сблъсък отнема част от първоначалната енергия на излъчването, отслабвайки неговата интензивност.

Но повечето лъчи просто се движат нататък, без да се сблъскват с нищо по пътя си. Това се случва почти винаги, защото пространството е съставено предимно от пустота – абсолютно нищо. В междузвездното пространство просто не съществуват пречки пред електромагнитните вълни.

Когато излъчването се движи безпрепятствено, то не губи и капка енергия. Скоростта от 186 000 мили в секунда може да се поддържа вечно, без ни най-малък признак на забавяне или отслабване.

Още по-вълнуваща картина рисува концепцията за относителността на времето. Представете си, че сте астронавт на борда на Международната космическа станция, която се движи в орбита със скорост 17 000 мили в час. В сравнение с човек на Земята ръчният ви часовник ще изостава с 0,01 секунди за цяла година – малка, но измерима разлика.

Това явление се нарича темпорална дилатация – ходът на хронометрите се променя в зависимост от условията на движение. Ако се придвижвате много бързо или се намирате в близост до мощно гравитационно поле, часовникът ви тиктака по-бавно от този на някой, който се движи по-бавно или е по-далеч от източника на гравитация. Времето е относително – нещо, което се изучава още в училище.

Дори астронавтите на борда на МКС изпитват дилатация, въпреки че ефектът е изключително малък. Орбиталната скорост на станцията е достатъчна, за да създаде измерими, макар и микроскопични, промени в хода на времето.

Светлината е неразривно свързана с времевите процеси чрез фундаменталните закони на физиката. Представете си, че се возите на фотон – елементарна частица на електромагнитните вълни. В този случай ще изпитате максималната възможна дилатация в пространството.

Наблюдателите на Земята ще регистрират скоростта ви като пределна скорост от 186 000 мили в секунда, но от вашата отправна точка времевият поток ще спре напълно. Причината е, че „хронометрите“, които измерват потока на времето, се намират в две коренно различни условия: квантът се носи с най-високата възможна скорост, докато нашата неподвижна планета пълзи с темпото на костенурка в орбитата си около Слънцето.

Нещо повече, с приближаването към пределната скорост разстоянието между началната и крайната точка се скъсява. Самото пространство се свива по посока на движението – колкото по-бързо се движите, толкова по-кратък става маршрутът. За един фотон пространството е буквално свито до безкрайно малки размери.

Това обяснение ни връща към изображението на Pinwheel Galaxy, което е получено от астрофизика. От позицията на елементарната частица всичко изглежда изключително просто: звезда във вътрешността на спиралната структура е излъчила квант електромагнитно лъчение и веднага след това един пиксел на фотоапарат в калифорнийски заден двор го е погълнал – точно в същия момент.

Тъй като пространството е компресирано до краен предел, за фотона пътуването е било безкрайно бързо и безкрайно кратко – малка част от секундата.

Но от нашата земна гледна точка същият квант е напуснал далечната галактика преди 25 милиона години и е изминал 25 милиона светлинни години през космическата пустота, преди да попадне на екрана на таблета.

Точно по този начин едно просто любопитство относно природата на електромагнитното излъчване отвори вратата към един удивителен свят, в който времевите потоци могат да спрат, пространството се свива, а частиците пътуват през Вселената, без да остаряват нито за миг.

Да допълним, че на излъчената от далечните галактики 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.