Для фотона нет времени? Разбираемся, что это значит

Есть одна очень популярная фраза, которую можно встретить практически в любом разговоре о теории относительности. Звучит она просто и красиво - фотон не испытывает времени.

И эта, казалось бы, безобидная, но странная формулировка плодит множество интересных идей. Тут вам и что фотон до сих пор легко воспринимает реальность с динозаврами, поскольку время для него всегда 0. И что фотон видит сразу весь жизненный цикл Вселенной. И что фотон, напротив, не ощущает хоть какую-то стрелу времени и может перемещаться из прошлого в будущее и обратно. Сценариев море и все они больше подходят для научной фантастики и выглядят, конечно же, очень интригующе.

Но есть одна принципиальная проблема. Мы пытаемся передать фотону то, чего физика ему вообще не позволяет иметь. И тут начинается гораздо более интересная часть нашей беседы.

Вместе с популярными заблуждениями есть и вполне вменяемые мысли, которые следуют из настоящей физики. Они подводят нас к ряду действительно концептуальных и важных парадоксов. Например, в какой-то момент наука говорит про неизведанную область в стиле - ну, хм, да просто там не работает физика и всё тут, туда нельзя. Или нам действительно интересно понять, а как так... - не испытывать времени? (читай как - что такое бесконечность?) И, пожалуй, самое интересное в этом всём - а что такое время для науки и правильно ли мы обычно вообще об этом говорим?

Что значит для фотона время не идёт

Начнём с самого понятия времени.

В повседневной жизни мы привыкли считать время чем-то почти материальным. Утром был завтрак, днём обед, вечером ужин. Между этими событиями прошло несколько часов. Мы смотрим на часы и как будто наблюдаем некую физическую величину, которая равномерно движется вперёд. Но в физике время не является веществом или каким-то универсальным потоком, который можно представить себе как жидкость в трубе.

В современной физике время является частью пространства-времени и входит в описание событий и интервалов между ними. Причём этот интервал зависит от движения и гравитационного поля. Поэтому два наблюдателя, находящиеся в разных условиях, действительно могут измерить разные промежутки собственного времени между одними и теми же событиями.Такой эффект экспериментально подтверждён.

Например, атомные часы, перемещённые на самолёте, после возвращения показывают небольшое отличие от часов, оставшихся на Земле. Аналогичные релятивистские поправки приходится учитывать и в спутниковых навигационных системах.

Получается странная на первый взгляд вещь: универсального времени, одинакового для всей Вселенной, у нас нет. И именно здесь появляется фотон.

Чем быстрее движется объект, тем сильнее меняется его собственное время

Специальная теория относительности показывает, что собственное время движущегося объекта связано с его скоростью относительно выбранной системы отсчёта.

Пока скорость значительно меньше скорости света, выражение под корнем положительно. Но чем ближе скорость к (c), тем меньше становится собственное время. А теперь возникает соблазн сделать следующий шаг.

Если при приближении к скорости света собственное время всё сильнее замедляется, то что произойдёт непосредственно при (v=c)? Наивный ответ кажется очевидным: получится ноль.

И действительно, для светоподобной траектории интервал собственного времени между событиями равен нулю. Но из этого не следует, что фотон сидит в своей собственной системе отсчёта и наблюдает Вселенную в режиме остановившихся часов.

Вот здесь популярное объяснение обычно и начинает ломаться.

У фотона нет собственной системы отсчёта

Когда мы говорим, например, о пассажире поезда, мы совершенно спокойно можем перейти в систему отсчёта, связанную с поездом. Для пассажира поезд покоится, а движется относительно него окружающий пейзаж.

Мы можем даже представить, что забрались на крышу поезда и смотрим, как станция движется навстречу. С фотоном такой фокус не сработает.

Почему? Потому что для того, чтобы построить инерциальную систему отсчёта, движущуюся вместе с объектом, этот объект должен двигаться со скоростью меньше скорости света.

Фотон движется со скоростью (c). Попытка выполнить преобразование Лоренца для перехода в систему, движущуюся со скоростью света, приводит к сингулярному пределу.

Но это не означает, что мы нашли какую-то странную физическую систему, в которой фотон живёт. Это означает обратное: такой системы отсчёта в специальной теории относительности нет. Поэтому выражение «с точки зрения фотона» в строгом физическом смысле некорректно.

Фотон не может остановиться относительно самого себя. Нельзя запрыгнуть на фотон, поставить на нём часы и спросить, сколько времени прошло по этим часам.

Потому что таких часов, такой системы отсчёта и такого наблюдателя теория относительности не предусматривает.

Но откуда тогда взялся ноль?

Для любого объекта можно рассматривать интервал собственного времени вдоль его мировой линии. Для светоподобной траектории этот интервал равен нулю. Именно поэтому и появилась популярная формулировка, что «для фотона время не проходит».

В определённом математическом смысле в ней есть зерно истины. Но популярная интерпретация часто делает из этого совсем другой вывод. Нулевое собственное время вдоль светоподобной траектории не означает существования наблюдателя, который летит вместе с фотоном и наблюдает нулевое время.

Это две совершенно разные вещи.

Представим фотон, который летит от звезды к Земле. Для нас этот путь может занимать тысячи или миллионы лет. Мы можем измерять расстояние, время прихода, частоту света, энергию фотона и множество других величин.

Но попытка спросить, сколько времени «прошло для самого фотона», уже выходит за пределы обычного понятия системы отсчёта. У фотона нет часов, с которыми мы могли бы сравнить это время.

А что тогда происходит с человеком, падающим в чёрную дыру?

Здесь возникает похожая ловушка.

Для далёкого наблюдателя объект, приближающийся к горизонту событий чёрной дыры, может выглядеть всё более замедляющимся. Свет от него испытывает всё более сильное гравитационное красное смещение, а процессы кажутся замедленными.

Но сам падающий наблюдатель в своей локальной системе отсчёта не видит, что его собственное время внезапно остановилось. Его часы продолжают работать. Он продолжает стареть.Он может пересечь горизонт событий за конечное собственное время, если речь идёт о достаточно большой чёрной дыре и подходящей траектории.

Получается интересная ситуация. Один наблюдатель описывает происходящее одним способом, другой - другим.

И это не противоречие. Потому что в теории относительности вопрос а сколько времени прошло всегда требует уточнения - по каким часам и между какими событиями? Именно это мы часто забываем, когда начинаем говорить о фотоне.

Поезд прекрасно показывает проблему

Возьмём гораздо более простой пример. Человек стоит на платформе. Мимо него проезжает поезд. В системе отсчёта платформы человек покоится, а поезд движется. Но пассажир внутри поезда может выбрать систему отсчёта, связанную с поездом. В этой системе сам поезд покоится, а платформа движется в противоположную сторону. Кто из них прав? Как обычно оба.

Это не означает, что реальность существует в двух взаимоисключающих вариантах. Просто скорость является величиной, которую мы измеряем относительно чего-то. Поэтому вопрос "движется ли поезд?" без уточнения системы отсчёта неполон.

Именно здесь начинается настоящая специфика фотона. Для поезда мы можем спокойно перейти в систему отсчёта поезда. Для фотона - нет.

Почему нельзя просто сесть на фотон

Иногда в научно-популярных текстах можно встретить мысленный эксперимент - представим, что мы летим вместе с фотоном и смотрим на окружающую Вселенную.

На первый взгляд кажется, что это просто ещё один вариант обычного мысленного эксперимента. Но нет. Если мы говорим "летим вместе с фотоном", мы уже неявно предполагаем существование системы отсчёта, движущейся со скоростью света.

А специальная теория относительности такой системы отсчёта не допускает. Поэтому дальше мы начинаем получать весьма странные фразы.

Например, что фотон видит Вселенную сжатой в определённом направлении. Что для него расстояние до далёкой звезды сокращается до нуля. Что он мгновенно оказывается в месте назначения. Что он способен «увидеть» всю историю Вселенной от Большого взрыва до далёкого будущего.

Математически отдельные утверждения, связанные с предельным поведением релятивистских формул, могут выглядеть впечатляюще. Но физически мы не можем назвать это тем, что видит фотон. У фотона нет собственной инерциальной системы отсчёта. И это принципиальное ограничение.

Ноль не всегда означает физическую остановку

Здесь полезно быть особенно осторожными с математикой.

Физика постоянно сталкивается с величинами, которые стремятся к нулю или бесконечности. Но сам факт появления нуля или бесконечности в формуле ещё не означает, что мы обнаружили некую новую физическую сущность. Иногда это означает, что мы подошли к границе применимости конкретного описания.

В случае фотона мы имеем именно такую ситуацию.

Собственное время вдоль светоподобной траектории равно нулю. Но нельзя на основании этого построить систему отсчёта фотона и затем начать рассуждать о том, что фотон «чувствует», "видит" или "наблюдает".

Математика говорит нам очень много. Но математика должна применяться к физически допустимой ситуации.

Значит ли это, что фотон живёт вечно?

Ещё одна популярная фраза: фотон, поскольку для него не проходит собственное время, якобы существует в каком-то смысле вечно. И здесь опять происходит подмена понятий.

Фотон может существовать в течение некоторого времени в нашей системе отсчёта. Он может быть испущен источником, распространяться и быть поглощённым. Между этими событиями для нас может пройти огромное количество времени.

Нулевой интервал собственного времени вдоль светоподобной траектории не превращает фотон в наблюдателя, для которого вся эта история происходит «мгновенно».

Поэтому утверждение «фотон живёт вечно» - гораздо более сильное утверждение, чем то, что действительно следует из теории относительности. И оно из неё не следует.

Тогда существует ли время вообще?

После всех этих примеров действительно может возникнуть ощущение, что физика постепенно отнимает у нас привычное представление о времени.

Для одного наблюдателя прошло одно количество времени. Для другого - другое. Гравитация влияет на ход часов. Скорость влияет на ход часов. Для светоподобной траектории собственное время между событиями равно нулю. Но из этого не следует, что времени вообще не существует. Это слишком сильное утверждение.

Время в физике - вполне реальная измеряемая величина. Мы можем сравнивать показания часов, определять интервалы между событиями, строить физические теории, в которых время играет фундаментальную роль. Просто оно не является универсальным потоком, одинаковым для всей Вселенной.

Мы привыкли думать о времени слишком просто

С пространством наша интуиция работает несколько лучше. Мы можем взять линейку и измерить расстояние между двумя точками. Конечно, теория относительности и здесь разрушает представление об абсолютных расстояниях, но геометрический смысл остаётся довольно понятным.

Со временем всё сложнее. Мы не можем набрать время в стакан. Мы не можем положить его на стол. У нас нет вещества под названием одна секунда.

Секунда определяется через физический процесс, с помощью которого мы сравниваем события и интервалы. Часы - это физическая система, которая позволяет нам воспроизводимо измерять время. И именно поэтому теория относительности оказалась настолько необычной.

Она показала, что наши часы не обязаны показывать одинаковые интервалы между событиями. Время оказалось связано с пространством, движением и гравитацией гораздо теснее, чем подсказывает человеческая интуиция.

И всё-таки в этой ошибке есть кое-что полезное

Парадоксально, но популярная байка о том, что фотон не испытывает времени, всё равно может быть очень полезной.

Она заставляет нас задать правильный вопрос. А что вообще значит "прошло время"? Что значит "наблюдатель"? Что значит "собственная система отсчёта"? Почему один наблюдатель может измерить один интервал, а другой - другой? И где проходит граница между математическим результатом и физической интерпретацией?

Наука вообще очень часто развивается именно таким образом. Мы берём кажущуюся странностью ситуацию и начинаем разбираться, где заканчивается наша интуиция и начинается реальное устройство природы.

В случае фотона ответ оказался довольно жёстким: система отсчёта, движущаяся вместе с фотоном, не существует.

Поэтому мы не можем узнать, что «чувствует» фотон, когда летит от одной галактики к другой. Мы не можем забраться на фотон. Мы не можем поставить на него часы. Мы не можем посмотреть на Вселенную его глазами. Но мы можем рассчитать, как ведёт себя свет в пространстве-времени, и эти расчёты прекрасно работают. И именно это, пожалуй, самое интересное.

Иногда физика не отвечает на вопрос, который мы задаём, потому что сам вопрос построен неправильно в рамках текущего понимания реальности этой наукой.

Но более точная формулировка гораздо интереснее: для светоподобной траектории собственное время равно нулю, однако собственной системы отсчёта фотона не существует.

Другое дело, что интересна и сама ситуация - в научном ответе мы исходим не из того, что такая картина в реальности невозможна. Мы говорим, что физика отрицает такую возможность, так как мы упёрлись в ограничение самой главной теории, на которой держится буквально всё. Но это ведь не означает, что главная теория может отменить саму природу? Скорее всего нет. Похоже тут есть пробел в научном осознании. С этими мыслями я вас и оставлю.

И приглашаю посмотреть моё видео по этой теме, где всё разобрано более детально и, как мне кажется, доступно.