Scienty

Как выглядит мир с точки зрения фотона, почему наши представления о движении не соответствуют тому, что происходит в реальности в квантовом мире, и существует ли во Вселенной абсолютная темнота? Сегодня, в Международный день света, на эти вопросы в интервью для портала «Научная Россия» отвечает астрофизик и популяризатор науки Антон Владимирович Бирюков.

Справка. Антон Владимирович Бирюков ― кандидат физико-математических наук, астрофизик, старший научный сотрудник лаборатории космических проектов Государственного астрономического института им. П.К. Штернберга МГУ им. М.В. Ломоносова, преподаватель Астрофизической школы фонда «Траектория», популяризатор науки. Изучает компактные релятивистские объекты ― нейтронные звезды и черные дыры, а также их наблюдательные проявления.

― Когда и при каких обстоятельствах во Вселенной впервые появился свет?

― Если мы говорим о наблюдаемой части нашей Вселенной, то около 13,8 млрд лет назад, в самые первые мгновения ее существования, вместе с Большим взрывом. А может быть, даже немного раньше: зависит от того, что называть Большим взрывом.

Мы считаем свет проявлением электромагнитного взаимодействия: это электромагнитные волны, или кванты электромагнитного поля, а значит, они появились вместе с самим электромагнитным взаимодействием, то есть тогда, когда оно выделилось в отдельный тип взаимодействия, связанный с соответствующим ему электромагнитным полем в нашей Вселенной. Судя по всему, это случилось в самые первые секунды жизни Вселенной. Электромагнитное поле возникло как часть некого более фундаментального поля, более общего взаимодействия. В XX в. ученым удалось объединить две из четырех фундаментальных сил природы ― электромагнитное и слабое взаимодействие. Многие физики считают, что теоретически к получившемуся электрослабому взаимодействию можно присоединить еще одно ― сильное ядерное взаимодействие — и тогда мы получим некоторое гипотетическое силовое поле, существовавшее во Вселенной в начале времен. Оно, видимо, было неким образом «запрограммировано» в нашей Вселеннуой, когда она рождалась. Затем от этого общего поля отделился электромагнетизм ― и появился свет.

― Причем сразу же с ограничением максимальной скорости до ~ 300 тыс. км/c?

― Судя по всему, да. Но не забывайте, что между скоростью распространения электромагнитного взаимодействия и фундаментальной константой под названием «скорость света», ограничивающей максимально возможную скорость движения в нашей Вселенной до тех самых ~ 300 тыс. км/c, есть разница. Одно дело ― фундаментальный параметр нашего мира как такового, и немного другое ― скорость распространения одного из взаимодействий: они не обязательно должны быть одинаковыми. Наша Вселенная могла родиться с немного другой константой скорости света, и, возможно, такие вселенные с другими фундаментальными константами действительно где-то существуют. Но в нашем мире все сложилось так, а не иначе, и похоже, что наша скорость света имела такое численное значение всегда, ведь на текущий момент у нас нет экспериментального подтверждения того, что в течение жизни Вселенной она когда-либо менялась, хотя гипотетически такой сценарий возможен.

― Верно ли, что фотон ― самая часто наблюдаемая частица в природе?

― Можно ли сказать, что фотонов больше всего во Вселенной? Пожалуй, да. Если посмотреть на примерный количественный состав частиц во Вселенной, то на 1 млрд фотонов приходится всего одна частица обычной материи. Такая картина сложилась еще на самых ранних стадиях эволюции Вселенной.

Ученые подсчитали, что видимую Вселенную заполняют порядка 10⁹⁰ частиц и бóльшая часть из них ― фотоны, а привычная нам барионная материя (состоящая из протонов, нейтронов и электронов) составляет лишь одну десятимиллиардную часть от этого числа.

― В чем их главное отличие от других частиц?

― Фотон занимает особое место в картине нашего мира, потому что все, что мы наблюдаем вокруг, живет и становится видимым благодаря электромагнитному взаимодействию ― и управляется им же. То, что мы с вами существуем, разговариваем сейчас в этой комнате, видим и слышим друг друга, обусловлено электромагнитным взаимодействием, а фотоны ― его переносчики. Между мной и вами, между мной и вашей камерой и т.д. постоянно происходит обмен фотонами. Все сигналы, распространяющиеся внутри наших гаджетов, ― тоже проявления электромагнетизма. В этом плане фотон для нас выделен и, может быть, даже более важен, чем переносчики других взаимодействий.

― Помимо фотонов нулевой массой покоя обладают также глюоны, «склеивающие» кварки в ядре атома. Они тоже могут двигаться со скоростью света?

― Да, могут.

― А где именно — в ядре атома или внутри нейтронных звезд, где, как предполагается, они могут существовать в свободном состоянии?

― Если бы глюон оказался свободной частицей, то, будучи безмассовым, он мог бы двигаться во Вселенной только со скоростью света. Но в ядре атома глюоны находятся не в свободном, а в связанном состоянии: они не могут вылететь из ядра атома, как и кварки. Из-за этого даже определить для них скорость оказывается не так просто.

― Герой одного из моих интервью А.А. Шейкин рассказывал, что для нас пространство и время разделено, а для фотона нет. Что вы думаете об этом? Как вообще может выглядеть мир с точки зрения фотона?

― Скажу сразу, что у меня нет хорошего ответа на этот вопрос. И, честно говоря, я не знаю, есть ли он у кого-то в принципе. Но это замечательный повод порассуждать о том, как устроено наше понимание мира и где находится граница возможностей человеческого познания. Есть формальный ответ на ваш вопрос, известный из хорошо проверенной в эксперименте теории, позволяющей предсказать, как выглядит мир с точки зрения того или иного наблюдателя. Я говорю о специальной теории относительности Альберта Эйнштейна.

Эта теория дает возможность вычислить буквально, как мог бы выглядеть мир с точки зрения наблюдателя, сидящего на фотоне и движущегося со скоростью света. И это очень необычный мир. Он необычен потому, что в нем ничего нет.

― Как это?

― Это статичный мир: все процессы в нем протекают с бесконечно медленной скоростью. Там ничего не происходит. Нет времени и нет смысла даже вводить такое понятие, как время. Также нет смысла говорить и о расстоянии, так как все интервалы расстояний там сжаты до нулевого размера. Вот такая необычная картина. Можно сказать, что для фотона весь мир как бы сжат в точку. Для него не существует пространства и времени, и это звучит максимально странно и контринтуитивно.

Специальная теория относительности ― это только одна из фундаментальных теорий, описывающих мир, и она отвечает на вполне конкретные вопросы. Но есть другая замечательная теория ― квантовая, вторая из великих теорий, созданных в ХХ в. физиками. Она отвечает на эту проблему чуть аккуратнее, подчеркивая, что законы физики запрещают задавать вопрос о том, как выглядит мир с точки зрения фотона или любой другой элементарной частицы, скажем, того же самого электрона. А что вообще значит смотреть на мир с точки зрения фотона? Допустим, вы оседлали летящий фотон и сидите на нем. Тогда для вас он относительно неподвижен. Вы перешли в систему отсчета, в которой фотон неподвижен. Но такой системы отсчета быть не может! С помощью хорошо проверенных экспериментов квантовая физика говорит нам, что не может существовать такого наблюдателя, относительно которого фотон, электрон или любая другая субатомная частица покоилась бы. Это не менее необычно и контринтуитивно, чем в первом случае.

Теория относительности говорит, что для фотона мир был бы максимально сжатым, а квантовая физика настаивает на том, что вопрос о том, как выглядел бы мир с точки зрения фотона, нельзя ставить в принципе.

― Потому что мы не знаем, где находятся частицы в каждый момент времени?

― Да. У фотона или того же электрона, например, нет такого состояния, которое мы могли бы считать состоянием покоя. Можно сказать, что элементарные частицы постоянно «дрожат». По-научному это называется принципом неопределенности Гейзенберга. Понятие движения возникает где-то на бо́льшем масштабе, то есть на макроуровне.

Концепция движения на субатомном уровне отличается от наших интуитивных представлений. В обычной жизни мы привыкли называть движением процесс, при котором тело сначала находилось в одном месте, а через какой-то промежуток времени оказалось в другом. Но на субатомном уровне все происходит иначе. Приведу пример. Все знакомы с таким понятием, как температура. С точки зрения статистической физики температура в нашей с вами комнате ― это характеристика случайного движения атомов воздуха (в данный момент времени в этом конкретном кабинете) с какой-то определенной скоростью. Если бы атомы двигались быстрее, мы бы воспринимали воздух в комнате как более горячий, а если медленнее ― как более холодный. Самое важное здесь то, что это коллективная характеристика. Вы не можете измерить температуру одного атома. Для того чтобы измерить температуру воздуха, нужно собрать много атомов, и это принципиальный момент. То есть привычное для нас понятие температуры возникает только тогда, когда мы рассматриваем много атомов сразу. Примерно то же самое происходит с движением и его количеством (импульсом).

Судя по всему, привычное для нас повседневное представление о движении возникает тогда, когда мы уходим от одного-единственного атома или одной элементарной частицы и переходим к некоему ансамблю частиц.

― В одном из своих выступлений вы вскользь упоминали о том, что свет существует в нескольких ипостасях. Было бы интересно узнать об этом подробнее.

― Я имел в виду скорость света. Ее понимание имеет как минимум две ипостаси. С одной стороны, речь идет о распространении электромагнитного взаимодействия, то есть о том, с какой скоростью луч света будет распространяться сквозь какую-то среду или, например, вакуум. С другой стороны, об определенном числе, мировой константе, или постоянной, равняющейся около 300 тыс. км/с и описывающей наш мир на фундаментальном уровне. Это максимальная скорость распространения взаимодействия (то есть причинно-следственной связи) в нашем мире. Как я уже говорил выше, величина распространения электромагнитного взаимодействия могла бы быть меньше, чем эта константа, и существовать совершенно отдельно, но в нашем мире сложилось так, что они совпадают.

― Скорость света была вычислена около 300 лет назад. Предпринимаются ли сегодня попытки еще уточнить ее или в этом уже нет необходимости?

― Я бы сказал, что физики даже устали уточнять ее, потому что такие попытки продолжались на протяжении многих лет. Само понятие скорости тесно связано с современной системой единиц и с тем, как именно мы определяем эталонный метр и эталонные часы. Скорость света для физиков сегодня ― нечто вроде неизменяемой фундаментальной линейки, о точности измерения которой бессмысленно спорить. Мы все просто дружно договорились, что скорость света равна 299 792 458 км/c. Это произошло не так уж давно: всего несколько десятилетий назад, когда было зафиксировано понятие метра. Мы ушли от железного бруска, старого эталона метра Международного бюро мер и весов, и перешли к новому понятию этой величины. После этого опытные измерения скорости света все большей и большей точности перестали иметь смысл. В мире есть и другие фундаментальные константы, и для физиков оказалось очень удобным и продуктивным договориться об их стандартных значениях: зафиксировать не только скорость света, но и заряд электрона, а также постоянную Планка, определив в конечном итоге эталоны заряда, массы, времени и расстояния.

― Как вы думаете, есть ли во Вселенной места, где вообще нет света?

― Сложно сказать. Это должно быть место, куда не попадает излучение, то есть экранированное со всех сторон, причем чем-то абсолютно холодным. Таких мест, пожалуй, нет. Вы не найдете их, даже если каким-то образом закроетесь от Солнца «зонтиком». Дело в том, что даже у нашей Вселенной есть своя температура. Что я имею в виду? Если у вас есть какое-то нагретое тело, оно будет светить, то есть излучать. Даже мы с вами, сидя сейчас в этой комнате, немного излучаем, правда, в инфракрасном диапазоне (это вполне могла бы увидеть инфракрасная камера). Любое нагретое тело, даже если оно, как и наша Вселенная, нагрето всего лишь до температуры выше абсолютного нуля на несколько градусов, будет излучателем, а значит и источником света.

Поэтому в нашем мире повсюду присутствует так называемый космический реликтовый фон фотонов света, оставшийся еще со времен ранней Вселенной, и от него никак нельзя отгородиться.

На Луне есть глубокие кратеры, в которые солнечный свет никогда не проникает. Реликтовое фоновое излучение, по идее, тоже не может туда добраться из-за особенностей рельефа в этой местности. Но даже в таком случае мы не можем сказать, что там нет света. Дело в том, что стенка, отгораживающая эти кратеры от внешнего мира, все-таки не имеет температуру абсолютного нуля. У нее есть своя, пусть и совсем небольшая температура, и это означает, что этот объект все равно будет излучать, то есть светиться в миллиметровом диапазоне. Вообще, это довольно интересная задача для физика: придумать условия, в которых во Вселенной нет света; но я думаю, что в реальности в любом месте нашей Вселенной фотоны будут всегда (если только мы не говорим о каких-то искусственно созданных условиях) из-за наличия минимальной температуры.

― Даже если это область Вселенной, где нет ни звезд, ни галактик?

― Если там нет никакой материи, то туда рано или поздно все равно доберется свет от более далеких объектов.

― Но пока он будет туда добираться, его ведь там не будет?

― Вы спрашиваете о местах, до которых свет еще не успел долететь, но в наблюдаемой Вселенной они вряд ли есть. Если бы наша Вселенная с самого начала была очень большой и сжималась со временем, то такие места могли бы существовать, но поскольку она была маленькой, очень горячей и расширялась, становясь все более яркой и светлой, я предполагаю, что в наблюдаемой части Вселенной свет есть везде.

― Звучит оптимистично! Давайте еще немного поговорим об изучении фотонов и нашей картине мира. Насколько принципиальное значение они имеют для ее построения?

― Если говорить о квантовой теории, описывающей наш мир на самом глубинном уровне, то фотоны, то есть кванты электромагнитного поля, ― это одна из фундаментальных концепций внутри квантовой теории наравне с квантами других полей. Не могу сказать, что с точки зрения этой теории они сегодня как-то особенно выделены. Между тем фотоны сыграли очень важную историческую роль в становлении и дальнейшем понимании квантовой теории, потому что, как и любые квантовые субатомные частицы, фотоны обладали (и обладают) волновыми и корпускулярными свойствами одновременно, а на этом, собственно, и зиждется квантовая теория.

― При этом слова «волны» и «частицы» нельзя понимать буквально? Это ведь некое упрощение?

― Пожалуй, да. Фотоны, как и любые элементарные частицы, устроены таким образом, что аналогов в нашем макроскопическом мире им нет. Поэтому мы пытаемся представлять себе эти частицы как своего рода химеры. Это что-то вроде «зверя лютого» из древнерусских летописей: никто не знает, как он выглядел. В мировом фольклоре и кинематографе часто встречаются страшные невиданные существа, собранные при этом из отдельных известных частей, например лев с крыльями орла и хвостом рыбы. В этом смысле корпускулярно-волновой дуализм можно назвать неким порождением нашего ограниченного понимания повседневного макроскопического опыта.

Мы не понимаем, что такое квантовые объекты, будь то волны или частицы, но при этом имеем совершенно потрясающий математический аппарат, позволяющий выразить на языке математики те явления, которые не могут быть выражены обычными словами.

Корпускулярно-волновой дуализм в каком-то смысле ― всего лишь уравнение, но мне кажется, что его стоит воспринимать как крайне важные высказывания, сделанные на определенном (математическом) языке. Но однозначного перевода на наш обычный, повседневный язык они действительно не имеют.

― Мы с вами сегодня поговорили об отличительных свойствах света. А какие из них кажутся вам наиболее интересными?

― Первое ― тот факт, что свет одновременно и волна, и частица. Это очень необычно. Второе ― независимость скорости света от наблюдателя. Это один из постулатов специальной теории относительности: любой наблюдатель в любой системе отсчета всегда будет видеть фотон, двигающийся с одной и той же скоростью, около 300 тыс. км/c. Это потрясающее свойство нашего мира! Я бы остановился только на этих двух особенностях. Они кажутся мне наиболее необычными и фундаментальными.

 

---

Источник