Спросите Итана: всегда ли свет движется с одной и той же скоростью?

На изображении центра галактики в нескольких диапазонах длин волн видно такие источники излучения, как звёзды, газ, чёрные дыры, и т.д. Но свет, исходящий от всех этих источников, от гамма-излучения до видимого и радиодиапазона, всегда движется через пустое пространство с одной и той же скоростью: скоростью света в вакууме

Неважно, насколько быстро вы двигаетесь, одну вещь вы никогда не сможете поймать: свет. Скорость света — не только максимальная скорость, с которой во Вселенной может что-либо перемещаться, она ещё считается универсальной постоянной. Включаем ли мы фонарик, смотрим ли на Луну или Солнце, или измеряем параметры галактики, находящейся в миллиардах световых лет от нас, скорость света — единственное, что остаётся неизменным. Но всегда ли это так? Именно это хочет узнать наш читатель:

Движется ли свет с одной и той же скоростью всё время? Если его что-либо замедлит, останется ли он замедленным после того, как это влияние исчезнет? Разгонится ли он обратно до скорости света?

Начнём с того, что собой представляет свет на фундаментальном уровне: кванты.


Колеблющиеся в одной фазе электрические и магнитные поля, распространяющиеся со скоростью света, определяют электромагнитное излучение. Мельчайшая единица электромагнитного излучения, квант, известна под названием фотон.

Свет может быть непохожим на частицы, если вы наблюдаете за таким источником света, как лампочка, фонарик, лазерная указка или Солнце — но это всё оттого, что мы не умеем видеть его отдельные частицы. Если мы вместо наших глаз будем использовать электронные фотодетекторы, мы обнаружим, что весь свет Вселенной состоит из одних и тех же частиц, или квантов — фотонов. У него есть несколько свойств, одинаковых для всех фотонов:

• масса, равная 0;
• скорость, всегда равная с, скорости света;
• спин, мера внутреннего углового момента, всегда равный 1;

и одно очень важное свойство, отличающееся у разных фотонов: энергия. Из всех видимых человеческому глазу фотонов больше всего энергии у фиолетового света, а у красного — меньше всего. Ещё меньше энергии у фотонов из инфракрасного, микроволнового и радиодиапазона, а больше — у ультрафиолета, рентгеновских лучей и гамма-излучения.

Шкалы размера, длины волны и температуры/энергии, соответствующие различным частям электромагнитного спектра

Через вакуум космоса, вне зависимости от энергии, они всегда перемещаются со скоростью света. И неважно, как быстро вы будете пытаться двигаться вслед за светом, или по направлению к нему: наблюдаемая вами скорость фотонов всегда будет одной и той же. Вместо скорости изменяться будет их энергия. Двигайтесь по направлению к свету, и он будет казаться более синим, и его энергия будет больше. Двигайтесь от него, и он будет казаться красным, и его энергия будет меньше. Но вне зависимости от того, как двигаетесь вы, как двигается свет, как вы меняете энергию — скорость света не изменится. Фотон самой высокой или самой низкой из всех наблюдаемых энергий всегда будет двигаться с одной и той же скоростью.

Все безмассовые частицы движутся со скоростью света, включая фотоны, глюоны и гравитационные волны, переносящие соответственно электромагнитные, сильные ядерные и гравитационные взаимодействия

Но если вы захотите перейти от вакуума в некий материал, свет можно будет замедлить. Любой материал, прозрачный для света, позволит фотонам перемещаться внутри него — будь то вода, акриловая смола, кристаллы, стекло, и даже воздух. Но поскольку в этих материалах есть заряженные частицы — электроны — они будут взаимодействовать с фотонами, и таким образом замедлять их. Свет, хотя он и не имеет заряда, ведёт себя, как волна. Фотон, двигаясь в пространстве, вызывает колебания электрического и магнитного полей, из-за чего может взаимодействовать с заряженными частицами. Эти взаимодействия замедляют его, заставляя двигаться со скоростью, меньшей, чем скорость света, пока он движется в среде.

Поведение белого света, проходящего через призму, демонстрирует, как свет разных энергий движется с разными скоростями в среде — но не в вакууме

У разных фотонов будет разная энергия, а значит, их электрические и магнитные поля будут колебаться с разной частотой. В вакууме скорость разных видов света одинаковая, а в среде может отличаться. Просветите белым светом, состоящим из всех цветов, каплю воды или призму, и фотоны больших энергий замедлятся сильнее, чем фотоны меньших, что заставит свет разделиться на цвета.

Основная (яркая) и вторичные (тусклые) радуги появляются из-за взаимодействия солнечного света и капель воды, а дополнительные — из-за отражений в воде. Цвета разделяются из-за разной скорости фотонов разных энергий, движущихся в среде — в данном случае, в воде

Именно так свет, проходя через капли воды, создаёт радугу — фотоны разных энергий взаимодействуют с заряженными частицами среды, и замедляются по-разному.

Множественные отражения света в капле воды приводят к разделению света под разными углами, когда красный свет в водной среде движется быстрее, а фиолетовый — медленнее.

Важно помнить, что при этом никакие свойства света не меняются. Он не теряет энергию, не меняет присущих ему внутренних свойств, ни во что не превращается. Меняется только окружающее его пространство. Когда этот свет покидает среду и возвращается в вакуум, он вновь движется со скоростью света в вакууме: 299 792 458 метров в секунду. На самом деле сами определения расстояний и времени — метра и секунды — рассчитываются через скорость света. Атомы могут поглощать или испускать свет, в зависимости от переходов электронов внутри атомов.

Атомный переход с орбитали 6s, Δf₁, определяет метр, секунду и скорость света

У цезия, 55-й элемента таблицы Менделеева, есть 55 электронов в едином, стабильном, нейтральном атоме. Первые 54 электрона обычно существуют в состоянии с наименьшей энергией, но у 55-го есть два возможных уровня энергии, которые он может занимать, расположенные чрезвычайно близко друг к другу. Если он переходит с того, что чуть выше, на тот, что чуть ниже, то энергия перехода переходит фотону с совершенно определённой энергией. Если взять 9 192 631 770 циклов этого фотона, то получится 1 секунда. Если взять расстояние, которое он пройдёт за 30,663319 циклов (9 192 631 770 / 299 792 458), то получится 1 метр.

Из этого следует удивительно глубокая вещь: пока атомы по всей Вселенной совершенно одинаковы, наше определение времени, расстояния и скорости света не изменятся, вне зависимости от того, в какой точке Вселенной мы их применяем.

Неважно, как далеко мы заглянем во Вселенную, физика, управляющая атомами, и определяющая длину, время и скорость света, останется неизменной

Итак, что же мы узнали в итоге?

1. Свет, вне зависимости от того, высока или низка его энергия, всегда движется со скоростью света, пока он движется в вакууме пустого пространства.
2. Никакие изменения вашего движения или движения света не меняют эту скорость.
3. Отправляя свет в среду, отличную от вакуума, можно изменить его скорость, пока он движется в этой среде.
4. Свет разных энергий будет менять скорость по-разному, в зависимости от свойств среды.
5. Покинув среду и вернувшись в вакуум, свет снова начинает двигаться со скоростью света.
6. Согласно нашим познаниям и лучшим измерениям, скорость света сохраняется на отметке 299 792 458 м/с во всех местах и во все времена Вселенной.

Во многих отношениях, свет — простейшая частица во Вселенной. И хотя она всегда движется со скоростью света, она не всегда движется в абсолютно пустом пространстве. Пока во Вселенной сохраняется прозрачный материал, вам не удастся избежать замедления света в нём. Но как только свет возвращается в пустое пространство, он опять движется со скоростью света, и каждый фотон движется так, будто он никогда не двигался с другой скоростью!

Итан Сигель – астрофизик, популяризатор науки, автор блога Starts With A Bang! Написал книги «За пределами галактики» [Beyond The Galaxy], и «Трекнология: наука Звёздного пути» [Treknology].

ЧаВо: если Вселенная расширяется, почему не расширяемся мы; почему возраст Вселенной не совпадает с радиусом наблюдаемой её части .