|
Изнашиваются ли фотоны
|
|
|
|
Мой телескоп, установленный для астрофотографии на заднем дворе моего дома в Сан-Диего, загрязненного светом, был направлен на галактику, находящуюся невообразимо далеко от Земли. Моя жена Кристина подошла как раз в тот момент, когда на мой планшет появилась первая космическая фотография. Она засверкала на экране перед нами.
|
|
|
|
"Это галактика-вертушка", - сказал я. Название происходит от ее формы, хотя в этой вертушке содержится около триллиона звезд.
|
|
|
|
Свет от Вертушки путешествовал по Вселенной 25 миллионов лет — около 150 квинтиллионов миль — чтобы добраться до моего телескопа.
|
|
|
|
Моя жена задалась вопросом: "Неужели свет не устает во время такого долгого путешествия?"
|
|
|
|
Ее любопытство подтолкнуло к разговору о свете, который заставил задуматься. В конечном счете, почему свет со временем не изнашивается и не теряет энергию?
|
|
Давайте поговорим о свете
|
|
|
|
Я астрофизик, и одна из первых вещей, которую я узнал в ходе своих исследований, - это то, что поведение света часто противоречит нашей интуиции.
|
|
|
|
|
|
|
Свет - это электромагнитное излучение: по сути, электрическая и магнитная волны, соединенные вместе и распространяющиеся в пространстве-времени. Он не имеет массы. Этот момент имеет решающее значение, поскольку масса объекта, будь то пылинка или космический корабль, ограничивает максимальную скорость, с которой он может перемещаться в пространстве.
|
|
|
|
Но поскольку свет не имеет массы, он способен развивать максимальную скорость в вакууме — около 186 000 миль (300 000 километров) в секунду, или почти 6 триллионов миль в год (9,6 триллиона километров). Ничто не перемещается в космосе быстрее. Представим это в перспективе: за то время, которое требуется вам, чтобы моргнуть, частица света облетает окружность Земли более чем в два раза.
|
|
|
|
Несмотря на невероятную скорость, пространство невероятно обширно. Свету от Солнца, которое находится на расстоянии 93 миллионов миль (около 150 миллионов километров) от Земли, требуется чуть более восьми минут, чтобы достичь нас. Другими словами, солнечному свету, который вы видите, восемь минут от роду.
|
|
|
|
Альфа Центавра, ближайшая к нам звезда после Солнца, находится на расстоянии 26 триллионов миль (около 41 триллиона километров). Таким образом, к тому времени, когда вы увидите ее на ночном небе, ее свету будет чуть больше четырех лет. Или, как говорят астрономы, он находится на расстоянии четырех световых лет от нас.
|
|
|
|
Учитывая эти огромные расстояния, подумайте над вопросом Кристины: Как свет может путешествовать по Вселенной и при этом не терять энергию?
|
|
|
|
На самом деле, часть света действительно теряет энергию. Это происходит, когда он отражается от чего-то, например, от межзвездной пыли, и рассеивается вокруг.
|
|
|
|
Но большая часть света просто движется и не сталкивается ни с чем. Так происходит почти всегда, потому что пространство по большей части пустое — ничто. Поэтому на пути у него ничего нет.
|
|
|
|
Когда свет распространяется беспрепятственно, он не теряет энергию. Он может поддерживать скорость в 186 000 миль в секунду вечно.
|
|
|
|
Самое время
|
|
|
|
Вот еще одна идея: представьте себя астронавтом на борту Международной космической станции. Вы движетесь по орбите со скоростью 17 000 миль (около 27 000 километров) в час. По сравнению с другими людьми на Земле, ваши наручные часы будут тикать на 0,01 секунды медленнее в течение одного года.
|
|
|
|
Это пример замедления времени — время течет с разной скоростью в разных условиях. Если вы движетесь очень быстро или находитесь вблизи сильного гравитационного поля, ваши часы будут тикать медленнее, чем у человека, движущегося медленнее вас или находящегося дальше от сильного гравитационного поля. Короче говоря, время относительно.
|
|
|
|
Теперь представьте, что свет неразрывно связан со временем. Представьте, что вы сидите на фотоне, фундаментальной частице света; здесь вы почувствуете максимальное замедление времени. Все жители Земли будут отсчитывать время со скоростью света, но в вашей системе отсчета время полностью остановится.
|
|
|
|
Это потому, что "часы", измеряющие время, находятся в двух разных местах и движутся с совершенно разными скоростями: фотон движется со скоростью света, а Земля вращается вокруг Солнца сравнительно медленно.
|
|
|
|
Более того, когда вы перемещаетесь со скоростью света или близкой к ней, расстояние между тем местом, где вы находитесь, и тем, куда направляетесь, сокращается. То есть пространство само по себе становится более компактным в направлении движения — поэтому чем быстрее вы можете двигаться, тем короче должно быть ваше путешествие. Другими словами, для фотона пространство сжимается.
|
|
|
|
Что возвращает нас к моему снимку галактики-вертушки. С точки зрения фотона, звезда внутри галактики испустила его, а затем один пиксель в моей камере на заднем дворе поглотил его точно в то же время. Поскольку пространство сжато, для фотона путешествие было бесконечно быстрым и бесконечно коротким, всего лишь крошечная доля секунды.
|
|
|
|
Но с нашей точки зрения, фотон покинул галактику 25 миллионов лет назад и пролетел 25 миллионов световых лет в космосе, пока не приземлился на моем планшете на заднем дворе.
|
|
|
|
И там, прохладной весенней ночью, его потрясающий образ вдохновил на увлекательную беседу между ученым-ботаником и его любопытной женой.
|
|
|
|
Источник
|
