Безтурботно ковзаючи крізь цілковиту порожнечу простору, світло щосекунди покриває постійну відстань 299 792 458 метрів. Не більше, не менше.
Все змінюється, коли ця хвиля електромагнетизму змушена домовлятися з електромагнітними полями, що оточують шматочки матерії. Проходячи через цю трясовину, загальна швидкість світла може сповільнитися до відносної повзучості.
Ми бачимо це явище у викривленні світла, коли воно проходить крізь склянку води, або навіть у сліпучому розділенні хвиль у веселці.
Хоча фізики можуть описати цю затримку, використовуючи рівняння 19-го століття про світло та електромагнетизм, вони ще не можуть адекватно відобразити різку зміну швидкості світла між різними середовищами в мірах фізичних хвиль.
Тріо фізиків з Університету Тампере запропонували потенційне вирішення цієї проблеми, але не раніше, ніж переглянули деякі досить фундаментальні принципи просування світлової хвилі в часі та єдиному вимірі простору.
“По суті, я знайшов дуже акуратний спосіб вивести стандартне хвильове рівняння у вимірі 1+1”, – говорить перший автор дослідження Матіас Койвурова (Matias Koivurova), який зараз працює в Університеті Східної Фінляндії.
“Єдине припущення, яке мені було потрібне, – це те, що швидкість хвилі є постійною. Потім я подумав: а що, якщо вона не завжди постійна? Це виявилося дійсно хорошим питанням”.
Швидкість світла – або c, якщо використовувати його скорочення – є універсальною межею для інформації, що рухається у вакуумі. Хоча матерія може ефективно сповільнити загальну подорож частинки, спеціальна теорія відносності стверджує, що ця фундаментальна властивість не може по-справжньому змінитися.
Проте іноді фізика вимагає польоту фантазії, щоб дослідити нові можливості. Тож Койвурова разом зі своїми колегами Чарльзом Робсоном та Марко Орніготті відклали вбік цю незручну істину, щоб розглянути наслідки стандартного хвильового рівняння, де довільна світлова хвиля може прискорюватися.
Спочатку їхнє рішення не мало особливого сенсу. Лише коли вони додали постійну швидкість назад в якості системи відліку, все зійшлося воєдино.
Відправте космічний корабель у глибини космосу на швидкості, і його пасажири відчуватимуть час і відстань інакше, ніж спостерігачі, які спостерігають за їхньою подорожжю здалеку. Цей контраст виникає завдяки теорії відносності, яка була успішно протестована знову і знову на всіх можливих масштабах.
Накладаючи хвилю, що прискорюється, на постійну швидкість світла, дивні ефекти нового розв’язання командою стандартного хвильового рівняння виглядали так само, як і ті, що накладаються теорією відносності. Їхнє усвідомлення мало глибокі наслідки для дебатів про те, збільшується чи зменшується імпульс світлової хвилі, коли вона перетинає нове середовище.
“Ми показали, що з точки зору хвилі, з її імпульсом нічого не відбувається. Іншими словами, імпульс хвилі зберігається”, – каже Койвурова.
Незалежно від того, де знаходиться хвиля – в електромагнітному полі, брижі на ставку чи вібрації на струні, – міри відносності та збереження імпульсу повинні бути враховані в рівнянні, коли вони набирають швидкість. Це узагальнення повинно було мати ще один досить примітний, хоча й дещо розчаровуючий наслідок.
Незалежно від того, чи це наші безстрашні космічні мандрівники, які наближаються до Альфи Центавра зі швидкістю, меншою за швидкість світла, чи їхня сім’я, яка втратила близьких, повільно старіє на Землі, кожен з них рухається в тому, що ми називаємо правильним часом. Ці два часи можуть не збігатися на довжину секунди, але кожен з них є надійним мірилом плину років у власній системі відліку.
Якщо всі хвилі також зазнають впливу правильного часу, як стверджують фізики, то будь-яка фізика, що керується хвилями, повинна мати суворий часовий напрямок. Такий, який не можна просто змінити на протилежний для якоїсь однієї частини.
Досі рівняння були розв’язані лише для одного виміру простору (і часу). Для того, щоб перевірити, чи така перспектива хвиль відповідає дійсності, необхідно провести експерименти.
Якщо так, то наша колективна подорож Всесвітом – це справді вулиця з одностороннім рухом.
Це дослідження було опубліковане в Optica.
