Чему равен один год с точки зрения фотона?

Подходит к концу еще один год — то есть время, необходимое Земле для обращения вокруг Солнца, что примерно равно 365 дням. За это время один фотон в космическом пространстве пролетит расстояние равное одному световому году — около 9,46 триллионов километров. Но чему равен один земной год с точки зрения самого фотона?

Путешествуя со скоростью света, фотонам, испускаемым Солнцем, требуется чуть больше восьми минут, чтобы достичь Земли. Путешествие длиной в 150 миллионов километров по просторам космоса не является препятствием для этого света, но это означает, что, когда мы смотрим на Солнце, мы видим его таким, каким оно было совсем недавно, а не как оно выглядит прямо сейчас.

Если бы Солнце исчезло, мы бы узнали об этом только через восемь минут – по отсутствию его света и гравитации. Но как насчет точки зрения фотона?

Известно, что если вы путешествуете со скоростью, близкой к скорости света, срабатывает специальная теория относительности Эйнштейна, и время замедляется, а длины сокращаются. Фотоны, однако, движутся не со скоростью света, а скорее они сами ей являются. Так насколько же состарился фотон, испускаемый Солнцем, к тому времени, как он достиг Земли?

Если ваша интуиция подскажет вам просто на «восемь минут», с этим будет трудно спорить. Ведь именно настолько для нас состарился фотон. Если прогулка до магазина длиной 0,8 км занимает восемь минут, то пока вы дойдете до магазина, вы постареете на восемь минут.

А если бы продавец смотрел, как вы идете в магазин, он бы тоже знал, что вы постарели на восемь минут. Если бы все, что мы делали, это придерживались ньютоновского определения времени — с представлением о том, что время является абсолютной величиной, — это было бы верно абсолютно для всего во Вселенной: все, везде ощущали бы, что время течет с одинаковой скоростью при любых обстоятельствах. Но если бы это было так, скорость света не могла бы быть постоянной.

Представьте, что вы стоите на земле и светите фонариком в одном направлении на объект, находящийся на расстоянии одной световой секунды. Теперь представьте, что вы бежите к тому же объекту, светя тем же фонариком. Чем быстрее вы бежите, тем быстрее вы ожидаете, что свет будет двигаться: он должен двигаться с той же скоростью, с которой движется свет в состоянии покоя, плюс с той скоростью, с которой вы бежите.

Так ли это на самом деле?

Представьте, что у вас есть часы, только вместо часов, в которых вращается шестерня и движутся стрелки, у вас есть часы, в которых одиночный фотон света прыгает вверх и вниз между двумя зеркалами. Если ваши часы находятся в состоянии покоя, вы видите, как фотон подпрыгивает вверх и вниз, и секунды идут как обычно. Но если ваши часы движутся и вы посмотрите на них, как теперь пройдут секунды?

Совершенно очевидно, что отскоки происходят дольше, если скорость света всегда постоянна. Если бы время текло с одинаковой скоростью для всех, везде и при всех условиях, то мы бы увидели, что скорость света будет сколь угодно высокой по мере того, как быстрее что-то движется. И что еще хуже, если бы вы двигались очень быстро, а затем включили фонарик в противоположном направлении, вы бы увидели, что этот свет вообще не движется: он был бы почти в состоянии покоя.

Поскольку свет не делает этого — и не меняет свою скорость в вакууме ни при каких обстоятельствах — мы знаем, что эта наивная картина неверна.

В 1905 году Эйнштейн выдвинул свою специальную теорию относительности, отметив, что явления сокращения длины и замедления времени были бы объяснены, если бы скорость света в вакууме была универсальной постоянной, С.

Это означает, что чем быстрее что-то движется — тем ближе оно движется к скорости света — кто-то, наблюдающий за ним в состоянии покоя, увидит свое время и расстояния как обычно, но тот, кто «ездит» на быстро движущемся объекте, увидит, что он проехал более короткую дистанцию и затратил меньшее количество времени, чем наблюдатель, который оставался в покое.

Фактически, когда вы совершаете восьмиминутную прогулку до магазина, благодаря теории относительности Эйнштейна, время на ваших часах (при условии, что они были сверхточными и совпадали с часами продавца точно перед вашим уходом) теперь будет отставать от времени продавца чуть более чем на семь фемтосекунд. Эффекты теории относительности, даже несмотря на то, что в большинстве случаев они невелики, действуют всегда.

Причина в том, что объекты не просто движутся в пространстве и не просто движутся вперед во времени (стрела времени). Это потому, что пространство и время связаны как часть единой ткани вселенной: пространства-времени.

Впервые это осознал один из бывших учителей Эйнштейна, Герман Минковский, в 1908 году, который сказал:

«Взгляды на пространство и время, которые я хочу изложить вам, возникли на почве экспериментальной физики, и в этом их сила. Они радикальны. Отныне пространство само по себе и время само по себе обречены раствориться в одних тенях, и только своего рода союз того и другого сохранит независимую реальность».

Способ, которым это работает, заключается в том, что каждый объект и все, что вообще существует, всегда перемещается в пространстве-времени, и они всегда перемещаются в пространстве-времени с очень определенной взаимосвязью: вы перемещаете определенную величину через комбинацию этих двух факторов, независимо от того, как вы перемещаетесь относительно чего-либо еще.

Если с определенной точки зрения вы перемещаетесь в пространстве быстро, вы тратите меньше времени: именно поэтому, когда вы шли в магазин, ваше путешествие во времени было примерно на 7 фемтосекунд меньше, чем у продавца: вы перемещались в пространстве быстрее, чем она. Если бы вы двигались быстрее, ваши часы замедлились бы еще. Фактически, если вы двигаетесь очень близко к скорости света — например, со скоростью 99,9999999% скорости света по пути в магазин — независимо от того, как далеко этот магазин находится, для продавца магазина пройдет в 22 000 раз больше времени, чем для вас.

Итак, теперь, учитывая все это, давайте перейдем к самому фотону. Он движется не со скоростью света, а сам является скоростью света. Все формулы, описывающие, каково это для наблюдателя, дают нам ответы с бесконечностью, когда дело доходит до вопроса, что происходит со скоростью света. Но бесконечность не всегда означает, что физика неверна; она часто имеют в виду, что физика делает что-то неинтуитивное. Когда вы двигаетесь со скоростью света, это означает следующее:

• У вас абсолютно не может быть массы; если бы она была, вы бы переносили бесконечное количество энергии со скоростью света. Вы должны быть безмассовыми.
• Вы не испытаете никакого путешествия в космосе. Все расстояния по направлению вашего движения сведутся к одной точке.
• И вы не ощутите течение времени; Все ваше путешествие покажется вам мгновенным.

Для наблюдателя здесь, на Земле, свет будет идти от Солнца примерно восемь минут (около 8:20) до того, как мы его увидим, и если бы мы могли «наблюдать» за путешествием фотона, казалось бы, он движется со скоростью свет на протяжении всего пути.

Но если бы на борту этого фотона были «часы», нам показалось бы, что они полностью остановились. Хотя для нас эти чуть больше восьми минут прошли бы как обычно, фотон не испытал бы абсолютно никакого течения времени.

Это становится особенно тревожным, когда мы смотрим на далекие галактики во Вселенной.

С нашей точки зрения, как наблюдателей Млечного Пути, свету, излучаемому ими, требуются миллионы и миллиарды лет, чтобы достичь нас. За это время расширение Вселенной заставляет пространство растягиваться, а энергия испускаемых фотонов сильно падает: это космологическое красное смещение.

Однако, несмотря на это невероятное путешествие, сам фотон не испытывает ничего из того, что мы знаем как время: он просто испускается, а затем поглощается, совершая все свои путешествия в пространстве буквально за мгновение — для него не существует никакого времени. Учитывая все, что мы знаем, фотон вообще никогда не стареет. Для него что один год, что миллион лет — все проходит мгновенно.