Содержание
Почему свет движется со скоростью света? / Хабр
(Прим. пер. ― см. прим. пер. в конце поста)
Почему свет движется со скоростью света? Почему он просто не стоит на месте? Что приводит его в движение (тем более, такое быстрое)?
Всё и везде, просто по факту своего существования, «движется» со скоростью света (которая на самом деле не имеет ничего общего со светом). Да, это касается и вас тоже. Вот прямо сейчас.
Люди в основном воспринимают «вселенную» как «пространство», нечто отдельное от «времени», и честно говоря, они неправы. Пространство и время — не отдельные штуковины. Вселенная сделана из «пространствовремени», прямо так, без пробела. Вы, наверное привыкли к тому, что «год» — это единица времени, а «световой год» — единица расстояния, то есть это разные вещи; но с точки зрения физика это ровным счетом одно и то же (ну, конечно, смотря каким видом физики вы занимаетесь).
В нашей будничной жизни мы исходим из того, что движение — это некое расстояние (пространство), преодоленное за некое время.
Однако, если мы решили, что это одно и то же, наше определение движение внезапно становится полной ерундой. «Я прохожу километр за каждый километр, который я прохожу» — кошмар какой-то!
Оказывается, все работает вот как — всё во Вселенной «путешествует» через пространствовремя с постоянной «скоростью», которую я буду далее обозначать как с, для краткости. Не забывайте, «движение» в пространствовремени не имеет смысла, поэтому ничего не может быть «быстрее» или «медленнее», чем что-нибудь другое. Все вокруг проходит километр в течение километра, вот так вот.
Однако, мы же своими глазами видим, что у разных вещей вокруг нас разные скорости. Причина этому — тот обалденный факт, что пространство и время ортогональны (этим красивым словом я пытаюсь сказать «под нужным углом друг к другу»). Например, в этом же смысле ортогональны (перпендикулярны) север и восток — вы можете сколь угодно долго идти ровно на север, и это никак не отразится на вашем движении на восток или запад.
Так же, как вы можете перемещаться на север, при этом не двигаясь на восток, вы можете перемещаться во времени, не перемещаясь в пространстве. Но еще круче то, что вы можете перемещаться в пространстве так, что это никак не отразится на вашем «положении» во времени.
Думаю что вы сейчас (как и я) сидите и смотрите в экран. Это значит, что вы не особо путешествуете в пространстве. А поскольку вы должны путешествовать в пространствовремени с постоянной скоростью с, это значит, что все ваше «движение» расходуется в направлении времени.
Кстати говоря, именно поэтому происходит знаменитое замедление времени. Объект, который движется очень быстро (относительно вас), перемещается в пространстве, но поскольку он так же перемещается в пространствовремени с постоянной скоростью с, ему приходится медленнее перемещаться во времени, для компенсации (опять же с вашей точки зрения).
Что еще более удивительно, свет вообще не перемещается во времени. Это немного сложно объяснить, но вкратце, это связано с тем, что у него нет массы.
2, мы получим 0, что бессмысленно, потому что у света есть энергия. Следовательно, свет никогда не может быть неподвижен.
Более того! Свет никогда не бывает неподвижен относительно ничего. Поскольку, как и всё во Вселенной, он путешествует через пространствовремя со скоростью с, значит вся это «пространствовременная скорость» должна быть в «направлении» пространства, и ничего не остается на время.
Итак, свет движется со скоростью с. Совсем не случайно эту скорость часто определяют как «скорость света в вакууме». На самом деле, это скорость, с которой движется вообще все и везде. Просто так получилось, что свет с этой скоростью движется именно по пространству, поскольку у него нет массы.
Кстати, тут можно ответить еще на один часто задаваемый вопрос — почему ничто не может двигаться быстрее света, и почему вещи «материальные» (обладающие массой) не могут двигаться со скоростью света. Поскольку всё «движется» по пространствовремени с постоянной скоростью с, ничто не может преодолеть эту скорость в пространстве.
И нет, путешествие обратно в прошлое не поможет.
Также, поскольку объекты с массой могут быть «неподвижны» относительно чего-нибудь (например, себя), им всегда приходится двигаться во времени хотя бы немножко. Это значит, что они не могут двигаться в пространстве так быстро, как свет. Тогда бы им пришлось двигаться в пространствовремени быстрее скорости с, что невозможно.
Так, если свет не движется сквозь время, только сквозь пространство, почему же он тогда не перемещается мгновенно? Ведь мы точно знаем, что свету нужно некоторое время, чтобы долететь от Солнца до Земли.
Очень сложно (если вообще возможно) адекватно описать течение пространства и времени с точки зрения фотона. Можно сказать, что фотоны не «чувствуют» времени, хотя это прозвучит странно. Хотя, нам незачем особо переживать об их чувствах.
Перемещение из одного места в другое занимает у света какое-то время, потому что его скорость конечна относительно любого, кто наблюдает за ним. Не пытайтесь представить, «что видит свет вокруг себя», мы можем только представить, «что видит тот, кто видит свет».
Мы не можем (по крайней мере, на данном этапе развития) обсуждать, как свет «воспринимает» мир, это вообще скорее всего не имеет смысла.
(Прим. пер. ― не устою перед соблазном представить себя фотоном. Получается, фотон, с точки зрения себя самого, улетает с Солнца и прилетает на Землю в один и тот же момент времени. И вообще все — один момент времени, потому что времени-то и нет совсем).
Немного глупый вопрос, но означает ли все это, что если нечто движется сквозь пространство, оно будет стареть медленнее, потому что его движение сквозь пространствовремя будет медленнее относительно всего вокруг этого нечто?
Да, именно! Поздравляю, теперь вы понимаете, что значит замедление времени. Очень верное замечание про «относительно всего вокруг».
А разве нам не удалось остановить свет в кристаллах и всем таком?
Нам удалось запустить фотон внутрь специального кристалла, который его поглотил. Сделав это, кристалл вибрирует специальным образом, который кодирует информацию о фотоне (цвет и все такое).
Спустя некоторое время, кристалл испускает новый фотон, с теми же свойствами, что и ранее поглощенный, потому что вибрации «хранили» эти свойства.
Нигде в это время мы не останавливали фотон. Грубо говоря, мы его убили, а потом клонировали.
Это важное открытие, например, позволяет нам использовать оптику в ИТ. Мы здорово умеем передавать информацию при помощи света, но нельзя хранить такую информацию, если только не потратить время на ее преобразование в электричество.
Примечание переводчика.
Вы только что прочитали (или промотали) перевод вот этого поста на reddit, точнее, ответов пользователя corpuscle634. Будучи очень далеким от темы поста (я дизайнер), я, однако, просто не мог не поделиться этим текстом с хабрасообществом. Соответственно, тут я должен соблюсти необходимые формальности, как-то: об ошибках пишите в личку, перевод любительский, мопед не мой, и все такое.
Если у вас, как и у меня, этот пост вызвал «massive lightbulb moment», и хочется продолжения, вот еще из математики — A Visual, Intuitive Guide to Imaginary Numbers
Да пребудет с вами пространствовремя!
Что случится, если скорость света будет 100 км/ч
Иллюстрация: Дмитрий Лигай
Обрыв сети
Сотовые и стационарные телефоны будут бесполезны.
Электромагнитные волны, в которые кодируются наши слова при телефонном разговоре, перемещаются со скоростью света, так что друг из Австралии услышит ваше «Привет, как дела?» через пять дней.
Личное время
Часы человека, едущего в автобусе, идут медленнее часов его начальника, который ждет в офисе. В мире, где скорость света мала, невозможно согласовывать время прихода на работу, свиданий и встреч.
Без силы
Чтобы разогнать автомобиль до 80 км/ч, нужен мотор с мощностью ракетного двигателя. Знакомое со школы уравнение E=1/2mv2 имеет бесконечное количество дополнительных членов, которые пренебрежимо малы для привычных нам скоростей. Но при расчете энергии движения с околосветовой скоростью эти члены вносят существенный вклад, отнимая энергию.
Обман зрения
Из-за «эффекта фары» свет движущихся объектов немного отклоняется от прямого пути. Поэтому пешеход на тротуаре видит огни едущего автомобиля совсем не в том месте, где машина находится в этот момент.
Молодость в метро
Любители путешествий и жители городов, вынужденные каждый день ездить в метро, остаются молодыми долгие годы без всяких лекарств. Из-за постоянного ускорения и торможения время для пассажиров дополнительно замедляется, так что поездки на общественном транспорте оказываются полезны для продления жизни.
Радуга везде
При поездке на машине мир играет всеми цветами радуги. Благодаря релятивистскому эффекту Доплера цвет объекта, к которому приближается быстро едущий автомобиль, смещается по радуге в сторону синих цветов (красные листья станут оранжевыми или даже желтыми). А цвет удаляющегося объекта сдвигается к красной части спектра, и остающееся позади озеро сначала станет зеленым, а потом желтым.
Нет буксирам
Водителям понадобится гораздо больше мастерства для буксировки. Из-за релятивистского сокращения длины, даже если буксировщик и буксируемый едут с одинаковым ускорением, сцепка между ними разорвется. Этот эффект называется парадоксом Белла.
Зримое прошлое
Свет долго добирается от объекта до наблюдателя, и жители видят прошлое других людей и предметов. Глядя с горы на окрестности, человек наблюдает их такими, какими они были несколько десятков минут назад: чтобы преодолеть 100 км, луч света тратит целый час. А люди, стоящие в 100 метрах от наблюдателя, будут видеться ему такими, какими они были 3,6 секунды назад.
- Фото
- Legion Media
НА САМОМ ДЕЛЕ
Неописуемый мир
Эти эффекты возможны, если скорость света внезапно уменьшится до 100 км/ч, причем изменение затронет не все процессы в мире. Вселенная, где этот параметр другой изначально, была бы совершенно иной, так как некоторые фундаментальные физические константы, определяющие облик мира, зависят от скорости света. Например, постоянная тонкой структуры, характеризующая силу электромагнитного взаимодействия, при маленькой скорости света сильно возрастет, а значит, электроны не смогут отрываться от атомов, то есть будут невозможны химические реакции.
Кроме того, при невысокой скорости света увеличивается магнитная проницаемость пространства и изменяются процессы, для которых важно магнитное поле. В такой Вселенной вряд ли появились бы люди с их сложными молекулами.
Материал опубликован в журнале «Вокруг света» № 9, сентябрь 2014
Ирина Якутенко
Теги
- наука
Сегодня читают
Тест: выберите котика, а мы расскажем, каким вас чаще всего видят люди
Тест: только 2 из 10 человек смогут отгадать страну по ее выдающемуся зданию
Эту легкую математическую задачку могут решить только 2 из 10 взрослых, а у вас получится?
Тест: выберите елочную игрушку, а мы расскажем, как вы встретите Новый год
Проверьте остроту своего зрения за 1 минуту
Скорость света Определение и значение
- Верхние определения
- Викторина
- Примеры
- Cultural
[Speeduhv lahyt]
/ ˈspid əv ˈlaɪt /
!
сущ.
Физика, Оптика.
фундаментальная универсальная постоянная, скорость, с которой свет и все формы электромагнитного излучения распространяются в вакууме, стандартизированная как 186 282,4 мили в секунду (299 792 458 метров в секунду): скорость света, часто обозначаемая буквой с, занимает видное место. в современной физике, как в знаменитом уравнении Эйнштейна E = mc2, которое выражает отношение между массой (m) и энергией (E).
ВИКТОРИНА
ВЫ ПРОЙДЕТЕ ЭТИ ГРАММАТИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ ИЛИ НАТЯНУТСЯ?
Плавно переходите к этим распространенным грамматическим ошибкам, которые ставят многих людей в тупик. Удачи!
Вопрос 1 из 7
Заполните пропуск: Я не могу понять, что _____ подарил мне этот подарок.
Происхождение скорости света
Впервые записано в 1820–1825 гг. , спидран, магазин скорости
Dictionary.com Полный текст
Основано на словаре Random House Unabridged Dictionary, © Random House, Inc. 2022
Как использовать скорость света в предложении
Ограничение срока может быть предписанием для ускорения изменений.
Невыносимая белизна Конгресса|Дин Обейдаллах|8 января 2015 г.|DAILY BEAST
Вы просто путешествуете налегке с ручной кладью, посещаете города, которые вам нравятся, и проводите время со всеми своими друзьями.
Кофейная беседа с Фредом Армисеном: о «Портландии», встрече с Обамой и величии Тейлор Свифт | Марлоу Стерн | 7 января 2015 г. | DAILY BEAST
Он почувствовал, как его тело обмякло (как в высокоскоростных фильмах о увядании цветка).
Влиятельный конгрессмен пишет о «мясистых грудях»|Асавин Суэбсенг|7 января 2015 г.|DAILY BEAST
Реактивный двигатель мгновенно принес два преимущества по сравнению с пропеллерами: он удвоил скорость и стал намного надежнее.
Рейс 8501 ставит вопрос: слишком ли автоматизированы современные самолеты, чтобы летать?|Клайв Ирвинг|4 января 2015 г.|DAILY BEAST
И как мы хотим жить в свете этих различий.
В 2015 году давайте попробуем проявить больше сострадания|Джин Робинсон|4 января 2015 года|DAILY BEAST
Вот коренастый, удобный британский отец семьи в легком фланелевом костюме и выцветшей шляпе от солнца.
Бог и мой сосед|Роберт Блатчфорд
Ей не нужна была большая кулинарная книга; Она знала, сколько и чего нужно, Чтобы сделать вещи хорошими, сладкими и легкими.
Книжная полка для мальчиков и девочек; Практический план формирования характера, Том I (из 17)|Разное
Мистер Джонс повернул большой железный ключ, который держал в руке, и его осенило.
Причуда Эльстера|Миссис. Генри Вуд
Расстояние, неясный свет и воображение увеличили его до высокой стены; высотой с Китайскую стену.
Великан Севера|Р.М. Баллантайн
Слабый свет свечи мерцал на массивном позолоченном карнизе, который также подвергся насилию.
Мат|Джозеф Шеридан Ле Фаню
Культурные определения скорости света
скорость света
Расстояние, которое свет может пройти за единицу времени через данное вещество. Свет проходит через вакуум со скоростью около 186 000 миль или 300 000 километров в секунду.
(См. E = mc2, электромагнитные волны, теория относительности и парадокс близнецов).
отмечает скорость света
Солнечному свету требуется около восьми минут, чтобы достичь Земли.
примечания для скорости света
Свет от Луны и другое электромагнитное излучение от Луны достигают Земли примерно за полторы секунды. В разговорах между астронавтами на Луне и их наземными экипажами между обменами сообщениями есть промежутки около трех секунд из-за времени, которое требуется радиоволнам, чтобы совершить кругосветное путешествие между Землей и Луной.
отмечает скорость света
Специальная теория относительности утверждает, что скорость света, измеренная всеми наблюдателями, одинакова.
Новый словарь культурной грамотности, третье издание
Авторское право © 2005 г., издательство Houghton Mifflin Harcourt Publishing Company. Опубликовано издательством Houghton Mifflin Harcourt Publishing Company. Все права защищены.
Почему скорость света равна скорости света?
Если вы посетите Парижскую обсерваторию на левом берегу Сены, то увидите табличку на ее стене, извещающую, что скорость света была впервые измерена здесь в 1676 году.
Странно то, что этот результат был получен непреднамеренно. Оле Рёмер, датчанин, работавший ассистентом итальянского астронома Джованни Доменико Кассини, пытался объяснить некоторые расхождения в затмениях одного из спутников Юпитера. Ремер и Кассини обсудили возможность того, что свет имеет конечную скорость (обычно считалось, что он движется мгновенно). В конце концов, после некоторых грубых расчетов, Рёмер пришел к выводу, что световым лучам требуется 10 или 11 минут, чтобы пересечь расстояние, «равное половине диаметра земной орбиты».
Сам Кассини сомневался во всей этой идее. Он утверждал, что если проблема заключается в конечной скорости, а свету действительно требуется время, чтобы обойти орбиту, то такая же задержка должна быть заметна и в измерениях других спутников Юпитера, но это не так. Возникшие споры прекратились только в 1728 году, когда английский астроном Джеймс Брэдли нашел альтернативный способ проведения измерения. И, как подтвердили многие последующие эксперименты, оценка, полученная на основе первоначальных наблюдений Рёмера, отличалась примерно на 25 процентов.
Теперь мы зафиксировали скорость света в вакууме точно в 299792,458 километра в секунду.
Почему именно эта скорость, а не что-то другое? Или, другими словами, откуда берется скорость света?
Электромагнитная теория дала первое важное открытие 150 лет назад. Шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл показал, что когда электрические и магнитные поля изменяются во времени, они взаимодействуют, создавая бегущую электромагнитную волну. Максвелл рассчитал скорость волны по своим уравнениям и обнаружил, что она точно равна известной скорости света. Это убедительно свидетельствовало о том, что свет было электромагнитной волной, что вскоре окончательно подтвердилось.
Дальнейший прорыв произошел в 1905 году, когда Альберт Эйнштейн показал, что c , скорость света в вакууме, является универсальным пределом скорости. Согласно его специальной теории относительности, ничто не может двигаться быстрее. Итак, благодаря Максвеллу и Эйнштейну мы знаем, что скорость света удивительным образом связана с рядом других (на первый взгляд, совершенно разных) явлений.
Но ни одна из теорий не объясняет полностью, что определяет эту скорость. Что может? Согласно новому исследованию, секрет c можно найти в природе на пустом месте.
Пока не появилась квантовая теория, электромагнетизм был полной теорией света. Это остается чрезвычайно важным и полезным, но вызывает вопрос. Для расчета скорости света в вакууме Максвелл использовал эмпирически измеренные значения двух констант, определяющих электрические и магнитные свойства пустого пространства. Назовите их соответственно Ɛ 0 и μ 0 .
Дело в том, что на пустом месте непонятно, что эти цифры должны что-то означать. В конце концов, электричество и магнетизм на самом деле возникают из-за поведения заряженных элементарных частиц, таких как электроны. Но если мы говорим о пустом пространстве, то там не должно быть никаких частиц, не так ли?
Здесь вступает в действие квантовая физика. В расширенной версии, называемой квантовой теорией поля, вакуум никогда не бывает пустым.
Это «вакуумное состояние», самая низкая энергия квантовой системы. Это арена, на которой квантовые флуктуации производят мимолетные энергии и элементарные частицы.
Что такое квантовая флуктуация? Принцип неопределенности Гейзенберга гласит, что с физическими измерениями всегда связана некоторая неопределенность. Согласно классической физике, мы можем точно знать положение и импульс, например, покоящегося бильярдного шара. Но это именно то, что отрицает принцип неопределенности. Согласно Гейзенбергу, мы не можем точно знать и то, и другое одновременно. Это как если бы мяч слегка дрожал или дрожал относительно фиксированных значений, которые, как мы думаем, у него есть. Эти колебания слишком малы, чтобы иметь большое значение в человеческом масштабе; но в квантовом вакууме они производят крошечные выбросы энергии или (что эквивалентно) материи в виде элементарных частиц, которые быстро появляются и исчезают.
Лойкс очарован связью между классическим электромагнетизмом и квантовыми флуктуациями
Эти кратковременные явления могут показаться призрачной формой реальности.
Но они имеют измеримые эффекты, в том числе электромагнитные. Это потому, что эти мимолетные возбуждения квантового вакуума появляются как пары частиц и античастиц с одинаковым и противоположным электрическим зарядом, такие как электроны и позитроны. Электрическое поле, приложенное к вакууму, искажает эти пары, вызывая электрический отклик, а магнитное поле воздействует на них, создавая магнитный отклик. Такое поведение дает нам возможность вычислить , а не просто измерить электромагнитные свойства квантового вакуума и на их основе получить значение c .
В 2010 году физик Герд Лойкс и его коллеги из Института науки о свете им. Макса Планка в Германии сделали именно это. Они использовали виртуальные пары в квантовом вакууме для расчета электрической постоянной Ɛ 0 . Их значительно упрощенный подход дал значение в пределах 10 от правильного значения, использованного Максвеллом, — обнадеживающий знак! Это вдохновило Марселя Урбана и его коллег из Университета Париж-Юг на вычисление c из электромагнитных свойств квантового вакуума.
В 2013 году они сообщили, что их подход дал правильное числовое значение.
Результат удовлетворительный. Но это не окончательно. Во-первых, Урбану и его коллегам пришлось сделать несколько необоснованных предположений. Потребуется полный анализ и несколько экспериментов, чтобы доказать, что c действительно могут быть получены из квантового вакуума. Тем не менее Леухс говорит мне, что его по-прежнему восхищает связь между классическим электромагнетизмом и квантовыми флуктуациями, и он работает над строгим анализом в рамках полной квантовой теории поля. В то же время Урбан и его коллеги предлагают новые эксперименты для проверки связи. Так что есть основания надеяться, что c , наконец, будет основан на более фундаментальной теории. И тут – тайна раскрыта?
Ну, это зависит от вашей точки зрения.
Скорость света, конечно, всего лишь одна из нескольких «фундаментальных» или «универсальных» физических констант. Считается, что они применимы ко всей Вселенной и остаются неизменными с течением времени.
Гравитационная постоянная Гс, например , определяет силу гравитации во Вселенной. В малых масштабах постоянная Планка ч устанавливает размер квантовых эффектов, а крошечный заряд электрона e является базовой единицей электричества.
Числовые значения этих и других констант известны с мучительной точностью. Например, ч измеряется как 6,626070040 × 10 -34 джоулей-секунд (с точностью до 10 -6 процентов!). Но все эти величины вызывают множество тревожных вопросов. Они действительно постоянны? В каком смысле они «фундаментальны»? Почему у них именно такие значения? Что они на самом деле говорят нам о физической реальности вокруг нас?
Вопрос о том, действительно ли «константы» постоянны во Вселенной, является древним философским спором. Аристотель считал, что Земля устроена иначе, чем небо. Коперник считал, что наша локальная часть Вселенной ничем не отличается от любой другой ее части. Сегодня наука следует современным взглядам Коперника, предполагая, что законы физики одинаковы везде в пространстве-времени.
Но все это предположение. Его нужно тестировать, особенно для G и c, , чтобы убедиться, что мы правильно истолковываем то, что наблюдаем в далекой вселенной.
Лауреат Нобелевской премии Поль Дирак высказал предположение, что G может меняться со временем. В 1937 г. космологические соображения привели его к предположению, что она уменьшается примерно на одну 10-миллиардную часть в год. Был ли он прав? Возможно нет. Наблюдения за астрономическими телами под действием гравитации не показывают этого уменьшения, и пока нет никаких признаков того, что G меняется в пространстве. Его измеренное значение точно описывает орбиты планет и траектории космических кораблей по всей Солнечной системе, а также далекие космические события. Недавно радиоастрономы подтвердили, что G в известном нам виде правильно описывает поведение пульсара (быстро вращающегося остатка сверхновой) на расстоянии 3750 световых лет. Точно так же, кажется, нет достоверных доказательств того, что c изменяется в пространстве или времени.
Итак, давайте предположим, что эти константы действительно постоянны. Являются ли они фундаментальными? Являются ли некоторые более фундаментальными, чем другие? Что мы вообще подразумеваем под «фундаментальным» в этом контексте? Один из способов подойти к этому вопросу — спросить, каков наименьший набор констант, из которого могут быть получены остальные. Были предложены наборы от двух до 10 констант, но одним полезным выбором было всего три: h, c и G, , в совокупности представляющие теорию относительности и квантовую теорию.
только безразмерные константы действительно «фундаментальны», потому что они не зависят ни от какой системы измерения основные аспекты или измерения физической реальности: пространство , время, и масса. Каждая измеряемая физическая величина определяется своим числовым значением и размерностью. Мы не цитируем c просто как 300 000, но как 300 000 километров в секунду, или 186 000 миль в секунду, или 0,984 фута в наносекунду.
Числа и единицы измерения совершенно разные, но измерения одни и те же: длина, деленная на время. Точно так же G и h имеют, соответственно, размеры [длина 3 /(масса x время 2 )] и [масса x длина 2 /время]. Из этих соотношений Планк вывел «натуральные» единицы, комбинации ч , с и G , которые дают планковскую длину, массу и время 1,6 x 10 90 157 -35 90 158 метров, 2,2 x 10 90 157 -8 90 158 килограммов и 5,4 x 10 90 157 -44 90 158 секунд. Среди своих замечательных свойств эти единицы Планка дают представление о квантовой гравитации и ранней Вселенной.
Но некоторые константы вообще не содержат измерений . Это так называемые безразмерные константы – чистые числа, такие как отношение массы протона к массе электрона. Это просто число 1836,2 (которое считается немного странным, потому что мы не знаем, почему оно такое большое). По словам физика Майкла Даффа из Имперского колледжа Лондона, только безразмерные константы действительно «фундаментальны», потому что они не зависят ни от какой системы измерения.
Размерные константы, с другой стороны, «являются просто человеческими конструкциями, количество и значения которых различаются от одного выбора единиц к другому».
Возможно, самой интригующей из безразмерных констант является постоянная тонкой структуры α. Впервые он был определен в 1916 году, когда квантовая теория была объединена с теорией относительности для объяснения деталей или «тонкой структуры» в атомном спектре водорода. Теоретически α — это скорость электрона, вращающегося вокруг ядра водорода, деленная на с. Имеет значение 0,0072973525698, или почти точно 1/137.
Сегодня в рамках квантовой электродинамики (теории взаимодействия света и материи) α определяет силу электромагнитного воздействия на электрон. Это придает ему огромную роль. Наряду с гравитацией и сильными и слабыми ядерными взаимодействиями электромагнетизм определяет, как работает Вселенная. Но никто еще не объяснил значение 1/137, число без очевидных предшественников или значимых связей.
Лауреат Нобелевской премии по физике Ричард Фейнман писал, что α было «загадкой с тех пор, как оно было открыто… магическим числом, которое приходит к нам без понимания человеком». Вы можете сказать, что «рука Бога» написала это число, и «мы не знаем, как Он толкнул свой карандаш» 9 .0013
Будь то «рука Бога» или какой-то действительно фундаментальный физический процесс, сформировавший константы, именно их кажущаяся произвольность сводит физиков с ума. Почему эти цифры? Разве они не могли быть другими?
Один из способов справиться с этим тревожным ощущением непредвиденных обстоятельств — встретиться с ним лицом к лицу. Этот путь приводит нас к антропному принципу, философской идее о том, что то, что мы наблюдаем во Вселенной, должно быть совместимо с тем фактом, что мы, люди, находимся здесь, чтобы наблюдать за этим. Немного другое значение для α изменит Вселенную; например, делая невозможным производство углерода в звездных процессах, а это означает, что наша собственная углеродная жизнь не будет существовать.
Короче говоря, причина, по которой мы видим ценности, которые мы видим, заключается в том, что если бы они были очень разными, нас бы не было рядом, чтобы их увидеть. КЭД. Такие соображения использовались для ограничения α между 1/170 и 1/80, поскольку все, что находится за пределами этого диапазона, исключает наше собственное существование.
Но эти аргументы также оставляют открытой возможность существования других вселенных, в которых константы другие. И хотя может случиться так, что эти вселенные негостеприимны для разумных наблюдателей, все же стоит представить, что можно было бы увидеть, если бы смогли посетить человек.
Например, что, если бы c были быстрее? Свет кажется нам довольно быстрым, потому что нет ничего быстрее. Но это по-прежнему создает значительные задержки на больших расстояниях. Космос так огромен, что могут пройти эоны, прежде чем свет звезд достигнет нас. Поскольку наши космические корабли намного медленнее света, это означает, что мы никогда не сможем отправить их к звездам.
С другой стороны, временная задержка превращает телескопы в машины времени, позволяя нам видеть далекие галактики такими, какими они были миллиарды лет назад.
есть что-то очень интригующее в том, насколько жестко устроены законы нашей собственной Вселенной
Если бы c были, скажем, в 10 раз больше, многое изменилось бы. Земная связь улучшится. Мы сократили бы временную задержку для радиосигналов на больших расстояниях в космосе. НАСА получит лучший контроль над своими беспилотными космическими кораблями и исследователями планет. С другой стороны, более высокая скорость испортила бы нашу способность заглянуть в историю Вселенной.
Или представьте себе медленный свет, настолько вялый, что мы можем наблюдать, как он медленно выползает из лампы и заполняет комнату. Хотя в повседневной жизни это не принесло бы много пользы, спасительная благодать заключается в том, что наши телескопы вернут нас к самому Большому Взрыву. (В некотором смысле «медленный свет» был достигнут в лаборатории.
В 1999 году исследователи довели лазерный свет до скорости велосипеда, а затем и до полной остановки, пропустив его через облако ультрахолодных атомов.)
Об этих возможностях интересно подумать, и они вполне могут быть реальными в соседних вселенных. Но есть что-то очень интригующее в том, насколько четко устроены законы нашей собственной Вселенной. Леухс указывает, что связывание c к квантовому вакууму показало бы примечательным образом, что квантовые флуктуации «незаметно встроены» в классический электромагнетизм, даже несмотря на то, что электромагнитная теория предшествовала открытию квантового царства на 35 лет. Эта связь также станет ярким примером того, как квантовые эффекты влияют на всю Вселенную.
И если существует множество вселенных, разворачивающихся по разным законам и использующих разные константы, антропных рассуждений вполне может быть достаточно, чтобы объяснить, почему мы наблюдаем определенные закономерности, которые обнаруживаем в нашем собственном мире.