Для нас — 25 миллионов лет, для фотона — одно мгновение: как выглядит Вселенная с другой стороны времени

Астрофизик Джарред Робертс наблюдал звёзды в своём дворе в Сан-Диего, когда простой вопрос жены привёл к открытию одного из самых удивительных парадоксов Вселенной. Вечером учёный настроил телескоп для астрофотографии, несмотря на яркие огни большого города, и нацелил его на невообразимо далёкую галактику.

Супруга Кристина подошла именно в тот момент, когда на экране планшета появился первый космический снимок. Изображение мерцало перед ними, показывая красоту далёкого звёздного образования, усыпанного бесчисленными светящимися точками.

Робертс рассказал жене, что они видят галактику Вертушка — спиральную структуру, получившую название за характерную форму. Эта космическая «карусель» содержит около триллиона светил, медленно вращающихся на немыслимом расстоянии от Земли.

Фотоны от галактики путешествовали через пространство целых 25 миллионов лет, покрыв примерно 150 квинтиллионов миль, чтобы достичь телескопа в калифорнийском дворике. Масштабы настолько грандиозны, что человеческий разум с трудом их воспринимает — дистанции между объектами во Вселенной превосходят любые земные мерки.

Кристина сказала: «Неужели излучение не устаёт во время такого долгого путешествия?». Затем последовала долгая и увлекательная беседа о фундаментальных свойствах электромагнитных волн и природе времени.

Учёный признаётся: одним из первых открытий в его астрофизической карьере стало понимание того, как часто поведение света противоречит нашим интуитивным представлениям о мире. Люди не должны полагаться только на здравый смысл — важно разбираться в сложных вопросах с помощью экспертов.

Световые лучи представляют собой электромагнитную радиацию — электрическую волну, соединённую с магнитной, которые вместе перемещаются сквозь пространство-время. Критически важное свойство этого феномена — полное отсутствие массы. Любой объект, обладающий весом (будь то пылинка или космический корабль), ограничен в максимальной скорости передвижения через космос.

Отсутствие массы позволяет фотонам достигать предельной скорости в вакууме — около 186 тысяч миль в секунду, что составляет примерно 300 тысяч километров. За год электромагнитное излучение покрывает почти шесть триллионов миль или 9,6 триллиона километров. Ничто во Вселенной не способно двигаться быстрее этого абсолютного предела.

Чтобы оценить невероятность такой скорости, астрофизик приводит наглядный пример: пока вы моргаете, частица успевает обогнуть экватор Земли больше двух раз. За доли секунды квант пролетает расстояния, которые человек преодолевал бы месяцами на самом быстром транспорте.

Однако космические просторы настолько обширны, что даже подобная скорость требует значительного времени для преодоления межпланетных дистанций. Солнечные лучи, стартующие с поверхности нашей звезды (расположенной в 93 миллионах миль от планеты), добираются до нас чуть больше восьми минут. Получается, солнечное сияние, которое вы видите сейчас, покинуло светило восемь минут назад.

Ближайшая к нам звезда после Солнца — Альфа Центавра — удалена на 26 триллионов миль, то есть около 41 триллиона километров. Когда вы наблюдаете её в ночном небе, перед вами предстаёт свечение четырёхлетней давности. Астрономы так и говорят: объект находится на расстоянии четырёх световых лет.

Теперь стоит вернуться к вопросу Кристины, но сформулировав его более научно: каким образом электромагнитные волны пересекают Вселенную, не растрачивая постепенно энергию? Ответ будет неожиданным и многогранным, противоречащим обычной логике.

Действительно, некоторые фотоны теряют мощность во время путешествия. Подобное происходит, когда они сталкиваются с препятствиями вроде межзвёздной пыли и рассеиваются в разные стороны. Каждое столкновение отнимает у излучения часть первоначальной силы, ослабляя его интенсивность.

Но большинство лучей просто летят и летят, ни с чем не сталкиваясь на пути. Такое происходит почти всегда, поскольку космос состоит преимущественно из пустоты — абсолютного ничто. Препятствий для электромагнитных волн попросту не существует в межзвёздном пространстве.

Когда излучение движется беспрепятственно, оно не утрачивает ни капли энергии. Скорость в 186 тысяч миль в секунду может поддерживаться вечно, без малейших признаков замедления или ослабления потока.

Ещё более захватывающую картину рисует концепция относительности времени. Представьте себя астронавтом на борту Международной космической станции, мчащейся по орбите со скоростью 17 тысяч миль в час. По сравнению с человеком на Земле ваши наручные часы будут отставать на 0,01 секунды за целый год — крошечная, но измеримая разница.

Этот феномен называется темпоральной дилатацией — ход хронометров изменяется в зависимости от условий движения. Если вы перемещаетесь очень быстро или находитесь рядом с мощным гравитационным полем, ваши часы тикают медленнее, чем у того, кто движется спокойнее или находится дальше от источника притяжения. Время относительно — это знает каждый, кто учился в 8 классе.

Даже астронавты на борту МКС испытывают дилатацию, хотя эффект чрезвычайно мал. Орбитальной скорости станции достаточно для создания измеримых, пусть и микроскопических изменений в течении времени.

Свет неразрывно связан с темпоральными процессами фундаментальными законами физики. Вообразите, что вы едете верхом на фотоне — элементарной частице электромагнитных волн. В этом случае вы испытаете максимальную дилатацию, какая только возможна в космосе.

Наблюдатели на Земле зафиксируют вашу скорость как предельную — 186 тысяч миль в секунду, но с вашей системы отсчёта темпоральный поток полностью остановится. Причина в том, что «хронометры», измеряющие течение времени, находятся в двух кардинально разных условиях: квант мчится с максимально возможной скоростью, а наша всё ещё планета ползёт по орбите вокруг Солнца черепашьим шагом.

Более того, когда вы приближаетесь к предельной скорости, расстояние между стартовой и финишной точками сокращается. Само пространство сжимается в направлении движения — чем быстрее летишь, тем короче становится маршрут. Для фотона космос буквально спрессовывается до бесконечно малых размеров.

Это объяснение возвращает нас к снимку галактики Вертушка, который получил астрофизик. С позиции элементарной частицы всё выглядит предельно просто: звезда внутри спиральной структуры испустила квант электромагнитного излучения, и тут же единственный пиксель камеры в калифорнийском дворе его поглотил — в точно то же мгновение. Поскольку пространство сжато до предела, для фотона путешествие оказалось бесконечно быстрым и бесконечно коротким — крошечная доля секунды.

Но с нашей земной перспективы этот же квант покинул далёкую галактику 25 миллионов лет назад и преодолел 25 миллионов световых лет космической пустоты, прежде чем упасть на экран планшета.

Вот так простое любопытство о природе электромагнитного излучения открыло дверь в удивительный мир, где темпоральные потоки могут останавливаться, пространство сжимается, а частицы путешествуют через Вселенную, не старея ни на мгновение.