Свет во тьме. Черные дыры, Вселенная и мы - Фальке Хайно

Но как свет может всегда двигаться с одной и той же скоростью? Представим себе муравья, ползущего внутри быстро движущейся спортивной машины: он движется быстрее, чем муравей, просто ползущий по асфальту, поскольку к скорости муравья добавляется скорость автомобиля. Так разве не должно происходить то же самое со светом? Нет, не должно, потому что свет – это не муравей, не машина, не мяч и не ракета. Свет – это чистая энергия, у света нет инертной массы. Материя может быть ускорена, только если к ней приложена сила и ей передана энергия, причем чем материя легче, тем легче ей разогнаться. Муравья разогнать легче, чем машину. Свет же настолько “легкий”, что вам даже не нужно его толкать, он полетит сам по себе. Вот почему в пустом пространстве он всегда движется с максимальной скоростью, а именно – со скоростью света, равной почти точно миллиарду километров в час.

Ничто не может двигаться быстрее света, потому что ничто не может быть менее инертным. Даже изменение гравитации и создаваемые в результате этого гравитационные волны могут распространяться только со скоростью света. Это свойство, которое вначале было установлено лишь для света, на самом деле относится и к скорости распространения взаимодействий, определяющих возникновение причинно-следственных связей между событиями. Говоря о “свете”, мы часто неявно включаем в рассмотрение другие процессы, в которых информация передается с помощью “безмассовых” волн.

Но что‐то же наверняка должно измениться, когда вы движетесь относительно света? Да, должно, сказал Эйнштейн. Меняются время и пространство. Но разве пространство и время не существуют независимо от всего остального? Ответ: нет. В отличие от энергии и материи, пространство и время – сугубо абстрактные величины, которые мы используем для описания мира. Мы не можем потрогать пространство или время, и они становятся физическими реальностями только тогда, когда их измеряют[36], а измерения в конечном итоге всегда делаются с помощью света или светоподобных волн. Если и есть нечто по‐настоящему реальное в космосе и на Земле, то это свет. С его помощью не только делаются измерения – он вообще определяет пространство и время.

В библейской истории сотворения мира раньше всего появился свет, и со светом пришел первый день. Это согласуется с научной историей сотворения мира, которая сложилась на сегодня: свет возникает с появлением времени – вначале во Вселенной появился огненный шар, большой взрыв света и материи.

Но почему свет так важен? В конце концов Вселенная состоит не только из света, но еще и из материи! Однако если вы копнете глубже, то обнаружите, что по сути на самом фундаментальном уровне все, что есть, – это свет и энергия. Из знаменитой формулы Эйнштейна

Е = mс2

следует, что энергия (E) равна массе (m), умноженной на квадрат скорости света (c). Масса – это то же, что и энергия, а энергия – то же, что масса. В теории существует еще один вариант этого уравнения, а именно:

E = hv,

где греческая буква v (“ню”) обозначает частоту света, а h – постоянную Планка – коэффициент, связывающий частоту света с энергией кванта. Это простейшее уравнение квантовой механики, основоположником которой был немецкий физик Макс Планк. Когда мы переходим к измерениям малых величин, например, к атомным масштабам, мы видим, что энергия в виде света может излучаться или поглощаться только определенными порциями, так называемыми световыми квантами.

Следовательно, сам свет – это энергия. Чем выше его частота, тем больше энергия. Материя и свет – формы энергии, и каждая из них может быть преобразована одна в другую.

Еще больше запутывает ситуацию то, что в некоторых случаях, как выяснил Эйнштейн, свет при высоких уровнях энергии ведет себя подобно частицам. В таких случаях мы говорим о фотонах, которые можно представить себе в виде несущихся сквозь пространство волновых пакетов, внутри которых свет продолжает колебаться.

Итак, и Ньютон, и Максвелл были правы: свет – это и частицы, и волны одновременно, – в зависимости от того, какой эффект вы исследуете. Ответ уже содержится в вопросе! Сегодня мы знаем, что этот корпускулярно-волновой дуализм распространяется и на самые крошечные компоненты материи. Подобно свету, эти мельчайшие частицы материи иногда могут вести себя как волны.

Даже силы, с которыми мы встречаемся в повседневной жизни, тесно связаны со светом. Атомы и молекулы удерживаются вместе с помощью квантовых и электромагнитных взаимодействий, то есть энергетических полей, которыми являются и световые поля. В квантовой механике объясняется, что все эти силы возникают при обмене виртуальными частицами света. Когда мы прикасаемся друг к другу или ударяем молотком по гвоздю, эти действия, если их рассматривать на микроуровне, также обусловлены электромагнитными взаимодействиями. Звуковые волны возникают, когда газ сжимается и волна давления проходит через воздух. Когда молекулы воздуха в газе встречаются и ударяются друг о друга, они обмениваются мельчайшими виртуальными частицами света. Все, что мы ощущаем, измеряем, воспринимаем или изменяем, в конечном счете зависит от свойств света. На самом мельчайшем атомном уровне все наши чувства – не только зрение, но и осязание, обоняние и вкус – зависят от обмена светом. По этой же причине никакая информация не может достичь нас со скоростью больше скорости света.

Таким образом, мы всегда все измеряем с помощью света (а для меня, например, существует только то, что я могу измерить). Если это утверждение верно, то мы можем сказать, что Вселенная без света вообще бы не существовала. Пространство и время, материя и наши ощущения – все они, по сути, ничто без света[37].

Концепция важности измерений в определении понятия реальности пронизывает всю физику ХХ века. Но даже сегодня она представляется крайне революционной. Она – ключ как к теории относительности, так и к квантовой механике, поскольку и в квантовой физике основополагающей является та же самая идея: реальностью становится лишь то, что я измеряю. Все остальное – интерпретация, а интерпретация, особенно в квантовой физике, – это предмет серьезных споров[38], как и вопрос о том, что на самом деле означает измерение. Измерение всегда связано с процессами, в которых частицы обмениваются друг с другом энергией и светом. Этот подход приводит к совершенно новым способам описания реальности. В квантовой физике частица может с определенной долей вероятности находиться одновременно везде – до тех пор, пока над ней не будет проведено измерение. Во мраке небытия все возможно до тех пор, пока кто‐нибудь не прольет на эту тьму свет. Измерить, в частности, и значит – пролить свет на квантовый процесс. Но поскольку мы работаем в ареале мельчайших субатомных частиц, попытка измерить их всегда означает также воздействие на них, их изменение и фиксацию с помощью фотонов. Измерение не просто определяет реальность, оно еще и изменяет ее.

Эрвин Шрёдингер описал это с помощью своего знаменитого парадокса. Он представил кота в обувной коробке, закрытого там вместе с квантовым устройством-убийцей. До тех пор, пока никто не снимет крышку и не заглянет внутрь коробки, кот будет как бы одновременно и мертвым, и живым. Мысленный эксперимент Шрёдингера, конечно, несколько вводит в заблуждение, потому что кот в коробке из‐под обуви – это не отдельный изолированный квантовый объект. Его частицы постоянно обмениваются виртуальными фотонами друг с другом, а также с полом и воздухом. Кот, таким образом, постоянно либо подвергается измерению, либо измеряет себя, и это фиксирует его состояние[39]. Причем случается это не только тогда, когда мы открываем крышку. Но, разумеется, это всего лишь мысленный эксперимент, не говоря уже о том, что сегодня никто не оставил бы бедного кота умирать в коробке – пускай даже гипотетически. У такого горе-экспериментатора сразу появились бы многочисленные проблемы с борцами за права животных, и это правильно!