[Перевод] Как фотоны воспринимают время?

У каждого есть мечта; я хотел бы дожить до рассвета, но знаю, что мне осталось менее трёх часов. Будет ночь, но это неважно. Умирать просто. Для этого не нужен свет. Так тому и быть: я умру при свете звёзд.
— Виктор Гюго

Перемещаясь со скоростью света, фотоны, испущенные Солнцем, достигают Земли примерно за 8 минут. Путь в 150 миллионов километров по пустому космосу – это не препятствие для света, но для нас это значит, что глядя на Солнце, мы видим его таким, каким оно было незадолго до этого, а не таким, какое оно в данный момент является. Если бы Солнце мгновенно исчезло прямо сейчас, мы не узнали бы об этом – ни из-за света, ни из-за гравитации – пока не прошли бы восемь минут. Но как это выглядит с точки зрения фотона? Известно, что если перемещаться со скоростью, приближающейся к скорости света, включается СТО Эйнштейна, время замедляется, а длина увеличивается. Однако же фотоны двигаются со скоростью не близкой, а равной скорости света. И насколько же тогда стареет фотон, испущенный Солнцем, к тому времени, как он достигает Земли?

Сложно будет спорить с вами, если вы интуитивно ответите «на восемь минут». В самом деле, для нас этот фотон постарел настолько. Если прогулка в магазин длиною в 0,8 км занимает у вас восемь минут, и вы пошли в магазин, вы постарели на восемь минут. Если продавец заметил, что вы идёте в магазин, для него вы также постареете на восемь минут. И если бы мы просто придерживались ньютоновского определения времени – как абсолютной величины – это же было бы правдой для всего остального. Все и везде ощущали бы, что время идёт с одной скоростью в любых обстоятельствах. Но в этом случае скорость света не могла бы оставаться постоянной.

Представьте, что вы стоите на земле и светите фонарём в одном направлении, в котором на расстоянии в одну световую секунду находится объект. Теперь представьте, что вы бежите к этому объекту, светя тем же фонарём. Чем быстрее вы бежите, тем быстрее, по вашему мнению, должен перемещаться и свет – со скоростью света, сложенной со скоростью вашего бега.

Почему это обязательно?

Представим, что у вас с собой часы, но не такие, в которых вращаются шестерёнки и перемещаются стрелки, а такие, в которых единственный фотон света отражается вверх-вниз между двумя зеркалами. Если ваши часы покоятся, фотон перемещается вверх-вниз, и секунды идут как обычно. Но если часы двигаются, то как изменится ситуация?

Очевидно, время между отражениями увеличится, если скорость света будет оставаться постоянной. Если бы время текло с одинаковой скоростью для всех, везде и в любых условиях, то скорость света могла бы быть любой, тем выше, чем быстрее кто-либо двигался. Что ещё хуже, если бы кто-то, двигаясь очень быстро, повернул бы фонарик назад, мы бы увидели, что свет почти не двигается: он почти покоится.

Но свет так себя не ведёт, и не меняет свою скорость в вакууме ни в каких ситуациях, поэтому мы знаем, что такое представление неверно.

В 1905 Эйнштейн предложил свою специальную теорию относительности, отметив, что провал эксперимента Майкельсона-Морли, а также изменение длины и скорости течения времени можно объяснить, если скорость света в вакууме будет универсальной константой, с. Это значит, что быстро движущийся наблюдатель увидит, что он прошёл более короткую дистанцию и путешствовал меньше, чем это кажется покоющемуся наблюдателю.

Космический корабль Союз, пристыкованный к модулю МКС Пирс, вернёт на землю космонавтов, постаревших чуть меньше, чем если бы они оставались на земле, благодаря релятивистскому растяжению времени.

На самом деле, после вашего похода в магазин, благодаря теории относительности Эйнштейна, ваши часы – если бы они были идеально точными и изначально совпадали с часами продавца – почти на две наносекунды отставали бы относительно часов продавца. Эффекты относительности, хотя они в обычных условиях и малы, действуют всегда.

Причина в том, что предметы не просто двигаются в пространстве, и не только перемещаются вперёд во времени. Это происходит потому, что пространство и время объединены в единую ткань пространства-времени.

Впервые до этого додумался один из учителей Эйнштейна, Герман Минковский в 1908 году, после чего он записал:

Взгляды на пространство и время, которые я хочу изложить вам, выросли на почве экспериментальной физики, и в этом их сила. Они радикальны. Следовательно, пространству самому по себе и времени самому по себе суждено исчезнуть в тенях, и только лишь объединение их двоих сохранится в роли независимой реальности.

Работает это следующим образом: все и всё сущее всегда двигаются через пространство-время, и всегда определённым образом: вы перемещаетесь на определённое расстояние в пространстве-времени, неважно, с какой скоростью вы двигаетесь относительно всего остального.

Растяжение времени слева и сокращение расстояний справа показывают, как время кажется идущим медленнее, а расстояния – укорачивающимися, при приближении к скорости света.

Если с какой-то точки зрения вы двигаетесь в пространстве быстро, то по времени вы двигаетесь медленнее: поэтому путшествие в магазин отняло у вас на 2 наносекунды меньше, чем у продавца: вы двигались через пространство быстрее его, а значит, через время вы двигались медленнее. Если по пути в магазин вы будете двигаться со скоростью, очень близкой к скорости света – около 99,9999999% от с – то для продавца прошло бы в 22 000 раз больше времени, чем для вас.

Памятуя обо всём этом, вернёмся к фотону. Он двигается не близко к скорости света, но точно со скоростью света. И все наши формулы при попытке описать поведение наблюдателя, движущегося со скоростью света, дают бесконечные ответы. Но бесконечность не обязательно означает ошибки физики – иногда она означает, что физика противоречит интуиции. Когда вы двигаетесь со скоростью света, то это значит, что:
• Вы в принципе не можете обладать массой. Если бы вы ею обладали, вы бы переносили бесконечное количество энергии. Вы обязаны быть безмассовым.
• Вы не воспримете ваше путешествие через пространство. Все расстояния по направлению вашего движения сократятся до точки.
• Вы не воспримете течение времени. Ваше путешествие покажется вам мгновенным.

Для наблюдателя на Земле свет испускается Солнцем за восемь (8:20) минут до того, как он его видит, и если бы мы могли наблюдать за путешествием фотона, он бы двигался со скоростью света всю дорогу. Но будь на борту этого фотона часы, для нас они бы показались остановившимися. Эти восемь минут для нас прошли бы как обычно, но фотон не воспринял бы течение времени.

Особенно это удивляет, когда обращаешься к удалённым галактикам Вселенной.

Свету, испущенному ими, требуются миллиарды лет, чтобы достичь нас, с точки зрения наблюдателя, находящегося в Млечном пути. За это время расширение Вселенной заставляет пространство растягиваться, и энергия испущенных фотонов заметно падает: происходит космологическое красное смещение. Но, несмотря на это удивительное путешествие, фотон вовсе не воспринимает того, что мы зовём временем: он просто испускается, а потом мгновенно поглощается, и всё путешествие происходит для него буквально мгновенно. Судя по всему, что нам известно, фотон вообще не стареет.