Теорія Ейнштейна. Учені розповіли, що "відчуває" фотон, який летить зі швидкістю світла

Спеціальна теорія відносності Ейнштейна описує, як у міру наближення будь-якого об'єкта до швидкості світла час сповільнюється, а відстані скорочуються. Тому частка світла фотон, що рухається зі швидкістю світла, сприймав би свою подорож як миттєве переміщення, що існує одночасно скрізь на своєму шляху. Фізик Дон Лінкольн розповів виданню Big Think, що може "відчувати" фотон під час руху зі швидкістю світла. Поки що ми маємо більш чітке уявлення лише про те, що відбувається з об'єктом, який переміщується в космосі з трохи меншою швидкістю.

У Фокус. Технології з'явився свій Telegram-канал. Підписуйтесь, щоб не пропускати найсвіжіші та найзахопливіші новини зі світу науки!

Не можна летіти так швидко. Можна тільки світлу

Згідно з сучасними науковими уявленнями, ніщо в нашому Всесвіті не може переміщатися в просторі швидше за швидкість світла, яка становить 300 тисяч км/с. За словами Лінкольна, фізики мають досить гарне уявлення про те, що відбувається з об'єктом під час руху аж до значення 99,99% від швидкості світла завдяки спеціальній теорії відносності Ейнштейна. Але як щодо швидкості світла? Що відчуває саме світло? Як частка світла "сприймає" час і простір?

Згідно з теорією відносності Ейнштейна, за швидкостей, нижчих за швидкість світла, рівняння Ейнштейна дають прогнози довжини і тривалості, які, принаймні, фізично можливі. А на швидкостях, що перевищують швидкість світла, рівняння роблять абсолютно безглузді передбачення. Зі швидкістю світла в рівняннях з'являються нескінченності, а вони не є фізичними, тому це означає, що рівняння не працюють для цієї швидкості.

Тобто рівняння простору і часу Ейнштейна насправді незастосовні до об'єктів, що рухаються зі швидкістю самого світла. Однак ми можемо використовувати рівняння Ейнштейна, щоб побачити, що відбувається, коли ми все ближче і ближче наближаємося до швидкості світла.

Що швидше, то... повільніше?

За словами Лінкольна, спеціальна теорія відносності Ейнштейна робить багато парадоксальних передбачень. Можливо, найважче прийняти те, що те, як ви сприймаєте час і відстань, залежить від того, наскільки швидко ви рухаєтеся. У міру того, як ви прискорюєтеся, час тече повільніше, а відстані стають коротшими.

Найближча до нас зірка, Проксима Центавра, розташована приблизно в чотирьох світлових роках від нас, а це означає, що людина на Землі побачить, що об'єкту, що рухається зі швидкістю, близькою до швидкості світла, потрібно чотири роки, щоб дістатися туди. Однак теорія відносності каже, що мандрівник відчуватиме менше часу.

Якби хтось здійснив цю подорож зі швидкістю в 99% від швидкості світла, то людина на Землі сказала б, що подорож тривала чотири роки. Однак мандрівник сказав би, що поїздка зайняла всього сім місяців. За швидкості 99,9% від швидкості світла мандрівник сказав би, що подорож зайняла трохи більше двох місяців.

Найбільша швидкість, якої змогли досягти вчені в результаті експериментів, була досягнута в лабораторії ЦЕРН, де дослідники розігнали електрони до швидкості в 99,99999999999% швидкості світла.

"Уявіть, що якимось чином вдалося відправити космічного мандрівника до найближчої зірки з такою швидкістю. Скільки часу займе подорож з точки зору того, хто залишився на Землі? Усього 10 хвилин. Збільшуючи швидкість дедалі ближче і ближче до швидкості світла, ми побачимо, що рівняння Ейнштейна кажуть, що фотон відчуватиме нульовий час на шляху від Землі до найближчої зірки. По суті, він піде і прибуде в один і той самий час. Ба більше, якби для переходу з одного місця в інше був потрібен нульовий час, він одночасно існував би у всіх проміжних точках. Тобто фотон буде одночасно скрізь", — каже Лінкольн.

Що "відчуває" фотон на швидкості в 300 000 км/с?

Як фотон сприймає простір? Наприклад, у міру того, як мандрівник рухається дедалі швидше і швидше, відстань, що розділяє Землю і далеку зірку, здається дедалі коротшою і коротшою. Там, де людина на Землі бачить відстань у чотири світлові роки, на найвищій швидкості, якої досягло людство, мандрівник побачить відстань, що становить мізерну частку від неї. А якби гіпотетичний мандрівник зміг рухатися зі швидкістю світла, то відстань у цьому випадку скоротиться до нуля.

Той факт, що рухомий об'єкт сприймає простір і час інакше, ніж стаціонарний, має свої наслідки. У той час як ми, люди, бачимо простір величезним, "сприйняття" фотона зовсім інше. Для фотона Всесвіт не має розміру і часу.

Детально про швидкість світла і те, як її розрахували і які значення вона мала спочатку в уявленнях учених, Фокус уже писав.