Почему свет не теряет энергию за миллионы лет полета через вселенную
Мой телескоп, настроенный для астрофотографии во дворе залитого городским светом Сан-Диего, был направлен на галактику, невообразимо далекую от Земли. Жена Кристина подошла как раз в тот момент, когда первое космическое изображение появилось на экране планшета. Галактика мерцала перед нами.
"Это галактика Веретено", — сказал я. Название происходит от ее формы, хотя на самом деле этот "прядильный инструмент" состоит из триллиона звезд.
Свет от Веретена путешествовал 25 миллионов лет — около 150 квинтиллионов миль — чтобы достичь моего телескопа. Кристина спросила: "Разве свет не устает за такое долгое путешествие?"
Ее вопрос заставил задуматься: почему свет не теряет энергию, преодолевая космические расстояния?
Как работает свет с точки зрения физики
Свет — это электромагнитное излучение: комбинация электрической и магнитной волн, распространяющихся в пространстве-времени. У него нет массы, и это ключевой момент. Масса ограничивает максимальную скорость объекта, но поскольку фотоны (частицы света) невесомы, они движутся в вакууме со скоростью 300 000 км/с — почти 9,6 триллиона километров в год.
За время, пока вы моргнете, фотон успеет облететь Землю более двух раз.
Но даже при такой скорости космос настолько огромен, что свету от ближайшей к Солнцу звезды, Альфы Центавра, требуется более четырех лет, чтобы достичь Земли. А галактики вроде Веретена и вовсе находятся на расстоянии миллионов световых лет.
Почему свет не замедляется
Если свет сталкивается с межзвездной пылью или другими объектами, он действительно теряет энергию — это называется рассеянием. Но в основном космос пуст. Нет препятствий — нет и потерь. Фотон может лететь вечно, сохраняя свою скорость.
- Свет от Солнца достигает Земли за 8 минут.
- Свет от Альфы Центавры — за 4,3 года.
- Свет от галактики Веретено — за 25 миллионов лет.
Роль релятивистского замедления времени
Здесь в игру вступает теория относительности Эйнштейна. Время течет по-разному в зависимости от скорости и гравитации. Например, часы на МКС идут на 0,01 секунды медленнее за год из-за высокой орбитальной скорости.
Но что, если представить себя фотоном? С его точки зрения, время останавливается. Пока для нас его путешествие длится миллионы лет, для самого света оно мгновенно. Пространство "сжимается" в направлении движения, делая путь короче.
Для фотона расстояние между галактикой Веретено и Землей равно нулю.
Этот парадокс объясняет, почему свет не теряет энергию: с его собственной перспективы он вообще не тратит времени на путешествие. А значит, и энергии терять нечему.
Что это значит для астрономии
Благодаря этому свойству света мы можем изучать далекие галактики, квазары и даже реликтовое излучение — свет, оставшийся от Большого взрыва. Если бы фотоны теряли энергию, астрономия была бы невозможна.
- Космический телескоп "Хаббл" фиксирует свет возрастом более 13 миллиардов лет.
- Обсерватория "Джеймс Уэбб" исследует инфракрасное излучение первых галактик.
- Радиотелескопы улавливают сигналы, идущие к Земле миллиарды лет.
Так что в следующий раз, глядя на звездное небо, помните: некоторые из этих фотонов начали свой путь, когда на Земле еще не было людей.