# Физик Роберт Немирофф: «Тень может двигаться быстрее света, но вы — нет»

Источник: https://www.youtube.com/watch?v=lONkazVGuxM
Канал: Event Horizon
Опубликовано: 28.09.2023

---

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
[[JUMP:01:27]]

Современные космические обсерватории, включая телескоп «Джеймс Уэбб», регулярно фиксируют объекты с экстремальным красным смещением, которые, по некоторым оценкам, кажутся движущимися быстрее скорости света [01:27]. Однако Роберт Немирофф подчеркивает принципиальное различие между субъективным наблюдением и объективной физической реальностью [02:07]. 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 [02:33].

По мнению физика, при достижении космологического красного смещения $z = 3$ возникает уникальный барьер коммуникации [02:47]. 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) [03:15]. 

При этом, вопреки популярному заблуждению, подобные галактики не исчезнут из поля зрения наблюдателя мгновенно [03:43]. 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 [03:56].

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 [05:16].
*   **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 [05:29].

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 [06:09]. Однако на практике это неосуществимо из-за экстремального рассеяния энергии фотонов и их смешивания [06:36].

## 🕳️ Гравитация на квантовом масштабе и загадка темной материи
[[JUMP:08:12]]

Современная физика находится в тупике, пытаясь объединить квантовую механику и общую теорию относительности (ОТО) [07:59]. Отвечая на вопрос о возможных путях слияния этих теорий, Роберт Немирофф предлагает рассмотреть классический двухщелевой эксперимент [08:26]. 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» [09:06].

ОТО не содержит в себе аппарата квантовой гравитации и исходит из предположения, что свет проходит либо через одну, либо через другую щель [09:33]. Ведущий Джон Майкл Годьер предположил, что неизвестные гравитационные эффекты при коллапсе волновой функции фотонов, путешествующих сквозь пространство, могли бы объяснить феномен темной материи [09:59]. Однако Немирофф скептически относится к этой идее, считая ее попыткой «смешать две неизвестные сущности» [10:26].

По мнению физика, существуют куда более консервативные и проработанные кандидаты на роль темной материи:

*   **Аксионы** — гипотетические сверхлегкие элементарные частицы, предсказываемые рядом расширений Стандартной модели [10:52].
*   **Первичные черные дыры** — массивные объекты, образовавшиеся в первые мгновения существования Вселенной, которые не обнаруживают себя, поскольку не находятся вблизи Солнечной системы [11:05].

Немирофф также упомянул альтернативную гипотезу — модифицированную ньютоновскую динамику (MOND), которая объясняет аномалии вращения галактик изменением законов гравитации при сверхмалых ускорениях [11:19]. Сам ученый признается, что не является сторонником MOND, и делает ставку на существование еще не открытых элементарных частиц, которыми «пропитана» вся Вселенная [11:32].

## ✂️ Эффект гильотины: как «ничто» преодолевает световой барьер
[[JUMP:12:13]]

В своей книге Роберт Немирофф детально анализирует различные мысленные эксперименты, демонстрирующие кажущееся сверхсветовое движение [12:13]. 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 [12:28].

Немирофф вместе со своим студентом провел детальное исследование этого парадокса и выяснил, что в реальном мире классические ножницы так сработать не смогут [13:06]. 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 [13:19].

Однако физик предложил модификацию эксперимента — ножницы типа «гильотины» [13:44]. Представьте два плоских длинных лезвия: нижнее расположено горизонтально, а верхнее падает на него параллельно, но под очень небольшим углом:

1.  Если бы лезвия были абсолютно параллельны, они соприкоснулись бы по всей длине одновременно, что эквивалентно бесконечной скорости [14:10].
2.  Если наклонить верхнее лезвие на ничтожно малый угол и сбросить его, точка пересечения лезвий (вертекс) устремится слева направо со скоростью, значительно превышающей скорость света [14:37].

Поскольку сама точка пересечения не является физическим объектом с массой, это движение не нарушает постулатов теории относительности [14:50]. Физик утверждает, что теоретически таким методом можно разрезать лист бумаги быстрее скорости света [15:16]. 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 [15:29].

Аналогичным образом ведут себя лазерные пятна [17:00]. Если направить мощный лазер на удаленную стену и быстро взмахнуть рукой, световое пятно на стене будет перемещаться быстрее скорости света [17:13]. Но это движение — лишь суперпозиция независимых событий прибытия отдельных фотонов, каждый из которых летит от лазера к стене со строго световой скоростью [17:26]. 

Наблюдатель на стене не сможет передать по цепочке вдоль стены никакого сообщения быстрее $c$ [18:04]. Скорость света остается абсолютным пределом для передачи информации [18:43].

## 🌗 Эффект релятивистского удвоения изображения
[[JUMP: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) [29:15]. 

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 [29:29]. 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 [29:43].

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 [30:22].
*   Этот метод является более продвинутым аналогом технологии лидар (LiDAR) и позволяет строить точные трехмерные карты удаленных объектов в наносекундном временном разрешении [25:06].

В ходе беседы физик также напомнил об уголковых отражателях, оставленных на Луне американскими астронавтами миссий «Аполлон» и советскими луноходами [27:16]. Ученые до сих пор используют их для измерения расстояния до Луны с точностью до миллиметров [26:36]. Впрочем, вопреки мнению о «вечности» этих приборов, Немирофф отмечает, что со временем они неизбежно покроются лунной пылью (реголитом), поднятой микрометеоритами, и перестанут функционировать [27:44].

## 🔵 Эффект Вавилова — Черенкова и «масса» фотона
[[JUMP: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) [34:44]. 

Если высокоэнергетическая заряженная частица, например мюон, влетает в воду на скорости, близкой к вакуумной скорости света, она оказывается быстрее фотонов в этой среде [35:25]. В результате возникает знаменитое голубое свечение — излучение Вавилова — Черенкова, которое физик описывает как оптический аналог звукового удара при преодолении самолетом звукового барьера [32:59].

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 $C$» [36:57].

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 [37:47]. Но теоретически это означает, что истинный предел скорости информации во Вселенной ($C$) слегка превышает скорость реального света [38:14].

Исследования гравитационных волн с помощью детекторов LIGO подтверждают эту картину [39:33]. 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 [39:59].

## ⏳ Время глазами фотона и квантовая ретропричинность
[[JUMP: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 [40:52]. 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 [41:21].

Что касается путешествий во времени назад, то для макрообъектов с массой они исключены [42:14]. Однако в квантовом мире существует феномен «ретропричинности» (retrocausality), детально изученный в мысленном эксперименте Джона Арчибальда Уилера с отложенным выбором [42:40].

При работе с запутанными частицами, разнесенными на огромные расстояния (например, в разные галактики), измерение состояния одной частицы мгновенно коррелирует с результатом измерения другой [43:06]. На первый взгляд кажется, что информация передается быстрее света или даже отправляется в прошлое [44:35]. 

Однако Немирофф подчеркивает, что это иллюзия:

1.  Оба наблюдателя видят у себя абсолютно случайный набор данных (шум) [44:10].
2.  Обнаружить корреляцию можно только после того, как они обменяются результатами классическим путем — со скоростью, не превышающей скорость света [44:35].
3.  Квантовая механика позволяет частицам коррелировать, но строго запрещает использовать эту связь для передачи полезного сигнала быстрее света [45:43].

## 📚 Наука через юмор: история создания книги
[[JUMP:49:50]]

Роберт Немирофф признается, что идея написать научно-популярную книгу родилась из его академической практики в Мичиганском технологическом университете [46:09]. Столкнувшись с тем, что даже его коллеги-профессора физики порой категорично отрицали возможность существования явлений вроде релятивистского удвоения изображения, он решил систематизировать эти знания [49:25].

В процессе преподавания базовой физики Немирофф заметил, что студенты часто машинально кивают на лекциях, но не усваивают материал [52:49]. Чтобы заставить их думать, он начал внедрять в тесты так называемые «концептуальные вопросы» с элементами юмора [53:41]:

*   Добавление откровенно нелепых и комичных вариантов ответов помогало студентам дольше удерживать концентрацию [54:08].
*   Этот метод позволил снизить уровень стресса на экзаменах и повысил общую вовлеченность аудитории [54:20].

Применив этот подход к своей книге, ученый постарался сделать ее максимально доступной, практически полностью отказавшись от математических формул в пользу наглядных концепций и шуток [50:17]. 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 [55:25].