Перейти к содержимому 
Вокруг нас почти всегда есть свет, его переносят фундаментальные частицы, называемые фотонами. Они известны тем, что распространяются при движении в вакууме с предельно возможной во Вселенной скоростью – 299 792 километра в секунду. Исходя из нашего повседневного взаимодействия с объектами, которым нужно время для разгона, возникает естественный вопрос: как фотоны достигают этой невероятной скорости?
Является ли это процессом ускорения, подобно набирающему скорость автомобилю, или эта скорость присуща им с самого момента их возникновения? Принципы современной физики убедительно указывают на второе – фотоны фактически «рождаются» со скоростью света.
Ключ к пониманию этого кроется в самой определяющей характеристике фотона: он обладает нулевой массой покоя. Это не просто любопытное уточнение; это фундаментально определяет поведение фотонов согласно законам физики, в частности, специальной теории относительности Эйнштейна. Эта теория объясняет, что для ускорения любого объекта, обладающего массой, требуется энергия, причем необходимая энергия резко возрастает по мере приближения объекта к скорости света.
Достижение же непосредственно скорости света потребовало бы бесконечного количества энергии, что физически нереально для чего-либо, обладающего массой. Фотоны, именно потому что они безмассовые, действуют совершенно вне этого ограничения. Для них такое быстрое передвижение — не предел скорости, к которому они стремятся, а скорее единственная скорость, с которой они могут распространяться в пустом пространстве.
Рассмотрим, как возникает фотон. Один из известных нам механизмов – это переход электрона в атоме на более низкий энергетический уровень. Избыток энергии высвобождается в виде фотона. Важно отметить, что этот вновь созданный фотон не начинает движение из состояния покоя, а затем начинает быстро ускоряться. Он появляется, уже двигаясь со скоростью света.
Нет никакой промежуточной фазы, никакого постепенного набора скорости. Это прямое следствие его безмассовой природы в рамках теории относительности. Безмассовая частица просто не может существовать в состоянии покоя; само ее существование связано с ее движением со скоростью света. Другие процессы, такие как тепловое излучение от горячих объектов или аннигиляция частицы-античастицы, также порождают фотоны, которые мгновенно движутся со скоростью света.
Также будет полезным выйти за рамки представления фотонов как простых миниатюрных снарядов. Квантовая механика описывает их как возбуждения, или кванты, электромагнитного поля. Они проявляют корпускулярно-волновой дуализм, то есть обладают свойствами как волн, так и частиц. Когда электромагнитное поле локально получает достаточную энергию (как при упомянутом переходе электрона), создается возбуждение-фотон. Это возбуждение по своей природе распространяется через поле со скоростью света. Не существует статического состояния «до фотона», которое затем «запускается». Появление и движение со скоростью света являются неразрывно связанными аспектами одного и того же события.
Наша интуиция, в значительной степени сформированная наблюдением в повседневной жизни за массивными, медленно движущимися объектами, естественно, подсказывает нам ожидать ускорения. Мы видим, как автомобилям, брошенным мячикам и даже ракетам требуется время и приложенная к ним сила для достижения максимальной скорости. И мы по привычке ожидаем подобного и от безмассовых квантовых сущностей, таких как фотоны, но это может привести (и приводит) к недопониманию.
Их поведение регулируется не привычными правилами ньютоновской механики, описывающими наш повседневный мир, а более фундаментальными принципами теории относительности и квантовой физики. Фотон не может находиться в состоянии покоя. Это происходит потому, что его энергия и импульс напрямую зависят от частоты его колебаний, которая связана с движением. Если фотон остановится (то есть его движение будет равно нулю), то и энергия, и импульс также станут равными нулю. В таком случае фотон просто перестанет существовать как частица.
Проще говоря, фотон может существовать только тогда, когда он движется. Как только он остановится – он перестанет быть фотоном, поскольку потеряет все свои основные характеристики.
Эта концепция – не просто теоретические размышления. Она последовательно подтверждается большим объемом экспериментальных данных, собранных за более чем столетие. Наблюдения света от самых далеких галактик, который путешествовал миллиарды лет, идеально согласуются с тем, что фотоны движутся с постоянной скоростью. Точные лабораторные эксперименты, в том числе на высокоэнергетических ускорителях частиц, раз за разом подтверждают, что фотоны рождаются, уже двигаясь со скоростью света, и сохраняют эту скорость в вакууме.
Можно, конечно, поднять вопрос о том, что свет, вроде как, замедляется при прохождении через прозрачные среды, такие как стекло или вода. Однако это не противоречит фундаментальной природе скорости фотона. В этих случаях не сами фотоны нажимают на тормоза. Скорее, это результат сложной последовательности взаимодействий: фотоны поглощаются атомами среды, а затем, после крошечной задержки, атом испускает новый фотон. Хотя общая, или эффективная, скорость световой волны, распространяющейся через материал, снижается из-за этих совокупных задержек (поглощением старого и испусканием нового фотона), сами отдельные фотоны в промежутках между этими взаимодействиями продолжают двигаться со скоростью света.
Понимание этой “врожденной” скорости является фундаментальным не только для физики, но и для технологий. Фотоны действуют как переносчики электромагнитного взаимодействия, передавая информацию через просторы космоса – информацию о температуре, химическом составе и движении звезд, галактик и туманностей. Их постоянная и хорошо известная нам скорость является краеугольным камнем теорий Эйнштейна и глубоко влияет на наше понимание пространства и времени.
Кроме того, бесчисленные технологии основаны на этом предсказуемом поведении: оптоволоконные кабели передают данные с помощью световых импульсов, движущихся с известной скоростью, солнечные панели преобразуют энергию фотонов в электричество, а различные медицинские методы визуализации (такие как рентген или ПЭТ-сканирование) используют электромагнитное излучение, переносимое фотонами.
Уникальная природа фотона служит хорошей иллюстрацией того, что Вселенная работает совсем не так, как мы привыкли видеть в повседневной жизни.
Так что когда вы видите свет – будь то от Солнца, звезды или лампы – помните о пути, который проделали эти крошечные частицы, чтобы добраться до вас. Фотоны не ускоряются, чтобы достичь вас. Они начинают свое существование, каким бы коротким или долгим оно ни было, уже двигаясь на предельной космической скорости. Их движение определяется фундаментальными законами, управляющими энергией, материей и самой тканью пространства-времени.
Читайте также: Свет может хранить память о древних катаклизмах
Комментировать можно ниже в разделе “Добавить комментарий”.