Мій телескоп, налаштований для астрофотографії на моєму засмаглому задньому дворі в Сан-Дієго, був спрямований на галактику, незбагненно далеку від Землі. Моя дружина, Крістіна, підійшла саме тоді, коли перше космічне фото з’явилося на моєму планшеті. Воно заблищало на екрані перед нами.
«Це галактика Вертушка», — сказав я. Назва походить від її форми, хоча ця вертушка містить близько трильйона зірок.
Світло від Вертушки подорожувало Всесвітом 25 мільйонів років – близько 150 квінтильйонів миль – щоб дістатися до мого телескопа.
Моя дружина подумала: «Хіба світло не втомлюється під час такої довгої подорожі?»
Її цікавість викликала розмову про світло, яка спонукала до роздумів. Зрештою, чому світло не зношується та не втрачає енергію з часом?
Давайте поговоримо про світло
Я астрофізик, і одне з перших, що я дізнався під час своїх досліджень, це те, як світло часто поводиться так, що це суперечить нашим інтуїціям. Світло — це електромагнітне випромінювання : по суті, електрична хвиля та магнітна хвиля, що з’єднані разом і поширюються крізь простір-час. Воно не має маси. Цей момент є критично важливим, оскільки маса об’єкта, будь то порошинка чи космічний корабель, обмежує максимальну швидкість, з якою він може рухатися крізь космос.
Але оскільки світло не має маси, воно здатне досягти максимальної швидкості у вакуумі – близько 186 000 миль (300 000 кілометрів) за секунду, або майже 6 трильйонів миль на рік (9,6 трильйона кілометрів). Ніщо не подорожує космосом швидше. Для розуміння: за час, який потрібен вам, щоб моргнути очима, частинка світла облітає Землю більш ніж удвічі.
Хоча це неймовірно швидко, космос неймовірно розтягнутий. Світло від Сонця, яке знаходиться на відстані 93 мільйонів миль (близько 150 мільйонів кілометрів) від Землі, досягає нас трохи більше восьми хвилин. Іншими словами, сонячному світлу, яке ви бачите, потрібно вісім хвилин.
Альфа Центавра, найближча до нас зірка після Сонця, знаходиться на відстані 26 трильйонів миль (близько 41 трильйону кілометрів). Тож на той час, коли ви побачите її на нічному небі, її світлу буде трохи більше чотирьох років. Або, як кажуть астрономи, вона
знаходиться на відстані чотирьох світлових років від нас.
Зважаючи на ці величезні відстані, розглянемо питання Крістіни: як світло може подорожувати Всесвітом і повільно не втрачати енергію? Насправді деяка частина світла втрачає енергію. Це відбувається, коли воно відбивається від чогось, наприклад, від міжзоряного пилу, і розсіюється. Але більшість світла просто рухається і рухається, ні з чим не стикаючись. Це майже завжди так, бо простір здебільшого порожній – ніщо. Тож нічого не заважає.
Коли світло поширюється безперешкодно, воно не втрачає енергії. Воно може підтримувати цю швидкість 186 000 миль за секунду вічно. Ось ще одна концепція: уявіть себе астронавтом на борту Міжнародної космічної станції . Ви обертаєтеся на орбіті зі швидкістю 17 000 миль (близько 27 000 кілометрів) на годину. Порівняно з людиною на Землі, ваш наручний годинник цокає на 0,01 секунди повільніше протягом одного року.
Це приклад уповільнення часу – час рухається з різною швидкістю за різних умов . Якщо ви рухаєтеся дуже швидко або близько до великого гравітаційного поля, ваш годинник цокає повільніше, ніж у когось, хто рухається повільніше за вас, або хто знаходиться далі від великого гравітаційного поля. Коротко кажучи, час відносний.
Тепер уявіть, що світло нерозривно пов’язане з часом. Уявіть собі фотон, фундаментальну частинку світла; тут ви б відчули максимальне уповільнення часу. Кожен на Землі б відстежував ваш плин зі швидкістю світла, але з вашої системи відліку час повністю зупинився б. Це тому, що «годинники», що вимірюють час, знаходяться у двох різних місцях і рухаються з дуже різною швидкістю: фотон рухається зі швидкістю світла, а Земля обертається навколо Сонця з порівняно повільною швидкістю.
Щобільше, коли ви подорожуєте зі швидкістю світла або близькою до неї, відстань між тим, де ви знаходитесь, і тим, куди ви прямуєте, стає коротшою. Тобто, сам простір стає компактнішим у напрямку руху – тому, чим швидше ви можете рухатися, тим коротшою має бути ваша подорож. Іншими словами, для фотона простір стискається.
Що повертає нас до мого зображення галактики Вертушка. З погляду фотона, зірка всередині галактики випромінювала його, а потім один піксель у моїй камері на задньому дворі поглинав його, точно в той самий час. Оскільки простір стиснутий, для фотона подорож була нескінченно швидкою та нескінченно короткою, крихітна частка секунди.
Але з нашого погляду, на Землі, фотон покинув галактику 25 мільйонів років тому та подолав 25 мільйонів світлових років крізь космос, поки не приземлився на моєму планшеті на задньому дворі. І там, прохолодної весняної ночі, його приголомшливий образ надихнув на приємну розмову між занудним науковцем та його допитливою дружиною. Джерело
