В новом выпуске научно-популярного подкаста Event Horizon ведущий Джон Майкл Годьер обсуждает с известным физиком, профессором Мичиганского технологического университета и соавтором легендарного проекта APOD (Astronomy Picture of the Day) Робертом Немироффом фундаментальные границы Вселенной. В центре дискуссии — парадоксы специальной и общей теории относительности, природа квантовой гравитации и самые необычные способы обойти ограничение скорости света, которые физик подробно описал в своей новой книге «Быстрее света: как это делает ваша тень, но не вы».
🌌 Кажущееся сверхсветовое движение и космические горизонты 1:27
Современные космические обсерватории, включая телескоп «Джеймс Уэбб», регулярно фиксируют объекты с экстремальным красным смещением, которые, по некоторым оценкам, кажутся движущимися быстрее скорости света . Однако Роберт Немирофф подчеркивает принципиальное различие между субъективным наблюдением и объективной физической реальностью . Те галактики, свет от которых мы фиксируем сегодня, в момент испускания фотонов двигались медленнее скорости света. Но из-за ускоряющегося расширения пространства-времени сегодня их текущее положение может находиться за пределами светового горизонта, то есть они удаляются от нас со сверхсветовой скоростью .
По мнению физика, при достижении космологического красного смещения $z = 3$ возникает уникальный барьер коммуникации . Если мы попытаемся направить лазерный луч на галактику с таким уровнем красного смещения, наш свет никогда ее не достигнет (при условии, что Вселенная продолжит расширяться в рамках стандартной космологической модели) .
При этом, вопреки популярному заблуждению, подобные галактики не исчезнут из поля зрения наблюдателя мгновенно . По словам Немироффа, изображение такой галактики навсегда «застынет» для нас в определенной временной точке, бесконечно смещаясь в красную (а затем и в микроволновую) область спектра, аналогично тому, как это происходит с реликтовым излучением .
В качестве иллюстрации этого феномена физик предлагает аналогию с падением объекта в черную дыру:
- Классическое представление: объект (например, наручные часы) падает за горизонт событий и мгновенно исчезает для внешнего наблюдателя .
- Реальная картина: сторонний наблюдатель никогда не увидит пересечения горизонта событий. Вместо этого часы будут бесконечно приближаться к нему, их ход для наблюдателя замедлится до полной остановки, а испускаемые фотоны будут испытывать колоссальное гравитационное красное смещение .
Теоретически, как отмечает Немирофф, цивилизация III типа по шкале Кардашёва могла бы восстановить историю объектов, упавших в черную дыру, просто анализируя эти «застывшие» на горизонте событий фотоны . Однако на практике это неосуществимо из-за экстремального рассеяния энергии фотонов и их смешивания .
🕳️ Гравитация на квантовом масштабе и загадка темной материи 8:12
Современная физика находится в тупике, пытаясь объединить квантовую механику и общую теорию относительности (ОТО) . Отвечая на вопрос о возможных путях слияния этих теорий, Роберт Немирофф предлагает рассмотреть классический двухщелевой эксперимент . Когда одиночный фотон проходит через обе щели одновременно (с точки зрения квантовой суперпозиции), возникает фундаментальный вопрос:
«Обладает ли гравитационным притяжением фотон, проходящий через обе щели одновременно? Гравитирует ли энергия из обеих щелей? Мы этого не знаем» .
ОТО не содержит в себе аппарата квантовой гравитации и исходит из предположения, что свет проходит либо через одну, либо через другую щель . Ведущий Джон Майкл Годьер предположил, что неизвестные гравитационные эффекты при коллапсе волновой функции фотонов, путешествующих сквозь пространство, могли бы объяснить феномен темной материи . Однако Немирофф скептически относится к этой идее, считая ее попыткой «смешать две неизвестные сущности» .
По мнению физика, существуют куда более консервативные и проработанные кандидаты на роль темной материи:
- Аксионы — гипотетические сверхлегкие элементарные частицы, предсказываемые рядом расширений Стандартной модели .
- Первичные черные дыры — массивные объекты, образовавшиеся в первые мгновения существования Вселенной, которые не обнаруживают себя, поскольку не находятся вблизи Солнечной системы .
Немирофф также упомянул альтернативную гипотезу — модифицированную ньютоновскую динамику (MOND), которая объясняет аномалии вращения галактик изменением законов гравитации при сверхмалых ускорениях . Сам ученый признается, что не является сторонником MOND, и делает ставку на существование еще не открытых элементарных частиц, которыми «пропитана» вся Вселенная .
✂️ Эффект гильотины: как «ничто» преодолевает световой барьер 12:13
В своей книге Роберт Немирофф детально анализирует различные мысленные эксперименты, демонстрирующие кажущееся сверхсветовое движение . Один из классических примеров — гигантские ножницы размером с Млечный Путь. Распространено мнение, что при их закрытии точка пересечения лезвий (вершина угла) может двигаться быстрее света .
Немирофф вместе со своим студентом провел детальное исследование этого парадокса и выяснил, что в реальном мире классические ножницы так сработать не смогут . Сигнал о начале закрытия передается по металлическим лезвиям в виде упругой волны со скоростью звука в данном материале, которая на много порядков меньше скорости света. В результате лезвия просто деформируются .
Однако физик предложил модификацию эксперимента — ножницы типа «гильотины» . Представьте два плоских длинных лезвия: нижнее расположено горизонтально, а верхнее падает на него параллельно, но под очень небольшим углом:
- Если бы лезвия были абсолютно параллельны, они соприкоснулись бы по всей длине одновременно, что эквивалентно бесконечной скорости .
- Если наклонить верхнее лезвие на ничтожно малый угол и сбросить его, точка пересечения лезвий (вертекс) устремится слева направо со скоростью, значительно превышающей скорость света .
Поскольку сама точка пересечения не является физическим объектом с массой, это движение не нарушает постулатов теории относительности . Физик утверждает, что теоретически таким методом можно разрезать лист бумаги быстрее скорости света . Однако использовать этот эффект для сверхсветовой передачи информации невозможно: левая часть листа бумаги никак не сможет «узнать» о том, что правая часть уже отрезана, до тех пор, пока сигнал не придет к ней с субсветовой скоростью .
Аналогичным образом ведут себя лазерные пятна . Если направить мощный лазер на удаленную стену и быстро взмахнуть рукой, световое пятно на стене будет перемещаться быстрее скорости света . Но это движение — лишь суперпозиция независимых событий прибытия отдельных фотонов, каждый из которых летит от лазера к стене со строго световой скоростью .
Наблюдатель на стене не сможет передать по цепочке вдоль стены никакого сообщения быстрее $c$ . Скорость света остается абсолютным пределом для передачи информации .
🌗 Эффект релятивистского удвоения изображения 28:21
Одним из главных научных достижений своей исследовательской группы в Мичиганском технологическом университете Роберт Немирофф считает открытие феномена «релятивистского удвоения изображения» (relativistic image doubling) .
Если мы быстро проведем лазерным лучом по сферическому объекту (например, по Луне), то из-за трехмерной формы объекта свету потребуется больше времени, чтобы достичь краев сферы, которые дальше от наблюдателя, чем ее центр . В результате при сверхбыстрой развертке лазерное пятно не просто пробежит от одного края до другого. Вместо этого в точке, близкой к центру, внезапно возникнет пара лазерных пятен, которая затем разделится: одно пятно побежит к ближнему краю, а другое — к дальнему .
По словам Немироффа, этот эффект имеет не только теоретическое значение:
- Зная скорость развертки лазера и зафиксировав момент появления двойного пятна, можно с высокой точностью рассчитать радиус и трехмерную форму сканируемого тела .
- Этот метод является более продвинутым аналогом технологии лидар (LiDAR) и позволяет строить точные трехмерные карты удаленных объектов в наносекундном временном разрешении .
В ходе беседы физик также напомнил об уголковых отражателях, оставленных на Луне американскими астронавтами миссий «Аполлон» и советскими луноходами . Ученые до сих пор используют их для измерения расстояния до Луны с точностью до миллиметров . Впрочем, вопреки мнению о «вечности» этих приборов, Немирофф отмечает, что со временем они неизбежно покроются лунной пылью (реголитом), поднятой микрометеоритами, и перестанут функционировать .
🔵 Эффект Вавилова — Черенкова и «масса» фотона 32:59
Обсуждая физику сверхсветового движения, ученые затронули тему распространения частиц в различных средах. Известно, что в воде свет замедляется примерно на треть (по сравнению со скоростью в вакууме) .
Если высокоэнергетическая заряженная частица, например мюон, влетает в воду на скорости, близкой к вакуумной скорости света, она оказывается быстрее фотонов в этой среде . В результате возникает знаменитое голубое свечение — излучение Вавилова — Черенкова, которое физик описывает как оптический аналог звукового удара при преодолении самолетом звукового барьера .
Этот факт приводит к фундаментальному вопросу: действительно ли фотоны в глубоком космосе движутся со скоростью строго равной константе $C$? Роберт Немирофф допускает, что это может быть не так:
«Возможно, фотоны обладают ничтожно малой массой покоя. В таком случае они всегда движутся со скоростью чуть меньшей, чем абсолютный предел $C$» .
Физик указывает, что если масса фотона составляет, к примеру, $10^{-70}$ от массы электрона, это невозможно обнаружить никакими современными лабораторными приборами, и это никак не влияет на космологические расчеты . Но теоретически это означает, что истинный предел скорости информации во Вселенной ($C$) слегка превышает скорость реального света .
Исследования гравитационных волн с помощью детекторов LIGO подтверждают эту картину . Зафиксированное слияние нейтронных звезд показало, что гравитационный всплеск и вспышка электромагнитного излучения прибыли на Землю практически одновременно (с разницей в пару секунд после путешествия через миллиарды световых лет), что доказывает равенство скоростей распространения света и гравитации с колоссальной точностью .
⏳ Время глазами фотона и квантовая ретропричинность 40:52
В физическом сообществе популярна идея о том, что для фотона, летящего со скоростью света, времени не существует вовсе — с его «точки зрения», моменты излучения и поглощения происходят мгновенно . Немирофф предлагает альтернативный взгляд: если признать, что фотон имеет микроскопическую массу и движется на скорости $0,999...$ от $C$, то для самого фотона время все же течет, пусть и невероятно медленно из-за релятивистского замедления .
Что касается путешествий во времени назад, то для макрообъектов с массой они исключены . Однако в квантовом мире существует феномен «ретропричинности» (retrocausality), детально изученный в мысленном эксперименте Джона Арчибальда Уилера с отложенным выбором .
При работе с запутанными частицами, разнесенными на огромные расстояния (например, в разные галактики), измерение состояния одной частицы мгновенно коррелирует с результатом измерения другой . На первый взгляд кажется, что информация передается быстрее света или даже отправляется в прошлое .
Однако Немирофф подчеркивает, что это иллюзия:
- Оба наблюдателя видят у себя абсолютно случайный набор данных (шум) .
- Обнаружить корреляцию можно только после того, как они обменяются результатами классическим путем — со скоростью, не превышающей скорость света .
- Квантовая механика позволяет частицам коррелировать, но строго запрещает использовать эту связь для передачи полезного сигнала быстрее света .
📚 Наука через юмор: история создания книги 49:50
Роберт Немирофф признается, что идея написать научно-популярную книгу родилась из его академической практики в Мичиганском технологическом университете . Столкнувшись с тем, что даже его коллеги-профессора физики порой категорично отрицали возможность существования явлений вроде релятивистского удвоения изображения, он решил систематизировать эти знания .
В процессе преподавания базовой физики Немирофф заметил, что студенты часто машинально кивают на лекциях, но не усваивают материал . Чтобы заставить их думать, он начал внедрять в тесты так называемые «концептуальные вопросы» с элементами юмора :
- Добавление откровенно нелепых и комичных вариантов ответов помогало студентам дольше удерживать концентрацию .
- Этот метод позволил снизить уровень стресса на экзаменах и повысил общую вовлеченность аудитории .
Применив этот подход к своей книге, ученый постарался сделать ее максимально доступной, практически полностью отказавшись от математических формул в пользу наглядных концепций и шуток . Сейчас Немирофф уже обдумывает идеи для следующей книги, однако предпочитает держать ее тему в секрете, поскольку, по его словам, публичные обещания часто лишают мотивации доводить начатое до конца .
