Что такое тьма и какова ее скорость?

Скорость света является одной из важнейших констант в физике. Впервые оценку скорости света дал датский астроном Олаф Рёмер в 1676 году. Однако ученым, который установил, что именно свет задает верхний предел достижимой скорости в нашей Вселенной, равняющийся почти 300 000 километрам в секунду, был именно Альберт Эйнштейн. И все же, согласно той же теории Эйнштейна, все в этой Вселенной относительно, включая движение. Это, в свою очередь, заставляет задать вполне логичный вопрос: какова же скорость полной противоположности света – тьмы?

Мы далеко не первые, кто задает этот вопрос, однако портал Gizmodo решил глубже в нем разобраться и по этому случаю обратился к одним из самых уважаемых и знаменитых ученых, исследователям, теоретикам, экспертам по черным дырам и квантовой физике. Что интересно, у всех них нет единого мнения на этот счет. Одни считают, что тьма может обладать такой же скоростью, как и свет. Другие считают, что она может быть бесконечно медленнее. Третьи уверены, что все будет зависеть от той точки зрения, с которой вы будете смотреть на этот вопрос.

Джордж Массер

Редактор журналов Scientific American и Nautilus, автор книг «Жуткое дальнодействие: феномен, переосмысливающий понятия пространства и времени. Значение феномена в теории черных дыр, теории Большого взрыва и Теории всего», а также «Полное руководство по теории струн для идиотов»

«Скорость тьмы? Самый простой ответ – скорость тьмы равна скорости света. «Выключите» Солнце, и наше небо станет темным через восемь минут после этого момента. Но это же скучный ответ! Нет, ну правда! Во-первых, то, что мы привыкли называть «скоростью света» является скоростью распространения, и это не всегда решающий фактор. Тень, падающая на ландшафт, отбрасывается объектами. И особенность этих объектов, а также удаленность от них, будет определять, с какой скоростью она будет падать.

Например, вращающийся прожектор маяка освещает окружение с регулярным интервалом. Однако относительная скорость затемнения окружения возрастает с возрастанием дистанции до самого маяка. Если отойти от маяка достаточно далеко, то тень будет настигать вас быстрее, чем скорость распространения света. То же самое, например, происходит с нейтронными звездами в космосе. Другими словами, в данном случае скорость света будет означать лишь задержку. Даже если маяк будет направлен прямо на вас, вы увидите свет не сразу, а с некоторой задержкой. Однако это никак не повлияет на ход событий, которые вы будете видеть, находясь на своем месте.

Но есть ли вообще такое понятие, как тьма? Точнее, понятие есть, но есть ли сам феномен? Даже если вы «выключите» Солнце, Земля не погрузится в полную беспроглядную тьму. Свет от звезд, туманностей и даже самого Большого взрыва будет освещать ваше небо в данном случае. Сама планета и все, что на ней находится, включая наши тела, тоже излучают свет. И это будет видно в инфракрасном диапазоне. Даже если вы каким-то образом нашли способ «выключить» Солнце, то даже в этом случае оно будет излучать определенный уровень свечения чуть ли не вечно. На ваш век и на многие века вперед хватит точно. То есть пока у нас имеется возможность видеть, мы будем видеть. Ни один оптический датчик не в состоянии определить полную тьму, потому что даже если рядом нет никаких источников света, имеющиеся квантовые флуктуации тоже будут производить очень легкие вспышки света. Или взять хотя бы черные дыры – самые темные из предполагаемых объекты. Даже они способны излучать некоторый процент света, согласно некоторым теориям. В физике, в отличие от сферы межличностных отношений, свет всегда «побеждает» тьму.

Тьма – это не физическая категория, это скорее относительное состояние. Даже не так. Это субъективное восприятие состояния. Фотоны могут отражаться, а могут и не отражаться, клетки сетчатки могут запускать процессы работы памяти, но не могут объяснить субъективное ощущение темноты, так же как и волны не могут быть представлены чем-то большим, чем нашим опытом наблюдения за цветом или звуком. Наш субъективный опыт время от времени изменяется, однако отдельно взятые части этого опыта лежат вне времени. И в этом смысле можно говорить о том, что тьма сама по себе не обладает скоростью.

Что есть скорость в общем понимании? И есть ли она вообще? Она заранее предполагает наличие некоего пространства, в котором ее можно измерить. Однако многие ученые, работающие с квантовой физикой — миром, где привычные понятия обычной физики нередко становятся бесполезными, — считают, что само по себе пространство является одной из производных более фундаментального уровня реальности, где вообще нет таких понятий, как положение, дистанция или та же скорость».

Ави Лоэб

Профессор астрофизики Гарвардского университета, основатель проекта изучения черных дыр Black Hole Initiative (BHI)

«Притягиваемая к центру черной дыры материя достигает скорости, близкой к скорости света. Все, что попадает в пределы так называемого горизонта событий черных дыр, не имеет возможности вырваться. Даже свет навечно запечатывается внутри горизонта событий. С учетом этого черные дыры можно рассматривать как некие тюрьмы вечной тьмы. Но это не так.

Звезда, подобная Солнцу, может быть «спагеттифицирована» в поток газа, пройди она рядом с массивной черной дырой, как, например, той, что находится в центре нашей галактики Млечный Путь и чья масса равна 6 миллиардам солнечных масс.

Однако при падении в черную дыру материя может создавать между собой трение и нагреваться. Конечным результатом этого трения становится излучение. Если темпы аккреции (процесса приращения массы) будут достаточно велики, то давление исходящего излучения потенциально будет способно уберечь дополнительную окружающую материю от падения. У многих из наиболее массивных черных дыр во Вселенной, обладающих массой миллиардов солнц, наблюдается максимально возможный показатель аккреции».

Нил Деграсс Тайсон

Астрофизик, доктор философии по физике, писатель, популяризатор науки, директор планетария Хейдена в Американском музее естественной истории на Манхэттене. Ведущий научно-популярного сериала «Космос: пространство и время»

«Скорость тьмы, значит… С учетом того, что сама тьма является результатом прекращения действия света? Если скорость света представлена константой, то скорость тьмы будет прямо противоположной константой скорости света. Если свет — это вектор, он обладает величиной и направлением, то… говоря о его отрицательном значении, мы будем говорить о его обратном направлении. Тьма в этом случае является обратным направлением, а не прямым. Я бы сказал, что тьма обладает прямо противоположным отрицательным значением скорости света».

Сара Кодилл

Доктор наук из Центра изучения гравитации, космологии и астрофизики имени Леонарда Е. Паркера Университета Висконсин-Милуоки

«Сила гравитации черных дыр настолько велика, что даже свет не способен ее избежать, после того как попадает в радиус ее горизонта событий – невидимых границ, создающих точку невозврата. Так как черные дыры обладают такой сильной гравитацией, то на наблюдения, осуществляемые за пределами этого сильного гравитационного поля, будет оказывать влияние эффект замедления времени.

Предположим, что вдалеке от черной дыры находится сторонний наблюдатель, который видит, как в черную дыру падает некий светящийся объект. С позиции наблюдателя этот светящийся объект сначала замедлит свою скорость, а затем «потухнет», став настолько тусклым, что его невозможно будет увидеть. Наблюдатель даже не сможет увидеть, как объект пересечет границу горизонта событий.

Если рассмотреть ситуацию с точки зрения материи, падающей в эту черную дыру. Представим теперь черную дыру, окруженную облаком светящегося газа. Это облако образовано разорванной на части звездой, проходившей слишком близко от этой черной дыры. Это газовое облако будет представлено в виде приплюснутого диска, также называемого аккреционным диском. Так вот, газ этого диска в конечном итоге будет полностью поглощен черной дырой, но произойдет это не сразу.

Дело в том, что существует предел скорости, зависящий от силы давления излучения разогретого газа, которое будет оказывать сопротивление действию внутренней силы гравитации самой черной дыры. В конечном же итоге, как только весь газ будет поглощен черной дырой, ее размеры увеличатся. Например, если взять черную дыру, чья изначальная масса будет в 10 раз превосходить массу нашего Солнца, а темпы ее аккреции массы будут достигать максимального предела (так называемого предела Эддингтона), то примерно через миллиард лет масса этой черной дыры достигнет массы, в 100 миллионов раз превосходящей массу нашего Солнца».

Давид Рейце

Научный руководитель Лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (ЛИГО)

«В основном все будет зависеть от того, являетесь ли вы той материей, которая поглощается бесконечной бездной черной дыры, или же вы находитесь достаточно далеко от места события и являетесь бесстрастным наблюдателем события падения кого-то или чего-то другого в эту самую бездну. Если вам не повезло и вы оказались на месте первого, то скорость будет очень большой. Вероятнее всего, речь будет идти о показателях, близких к скорости света.

Если же вы оказались на месте второго и находитесь достаточно далеко от черной дыры, то скорость, с которой будет поглощаться материя черной дырой, будет казаться вам заметно сниженной благодаря эффекту гравитационного замедления времени. Согласно ему, «часы» под воздействием гравитационного поля идут медленнее, а под воздействием очень сильного гравитационного поля – еще медленнее, что будет справедливо как раз с приближением к горизонту событий черной дыры.

Под словосочетанием «достаточно далеко» я имею в виду то, что вы в своей локальной системе координат будете оставаться неподвижным относительно черной дыры (то есть не будете в нее притягиваться) и ваша локальная система времени не будет находиться под воздействием гравитационного поля этой черной дыры. В этом случае для человека, находящегося за пределами воздействия черной дыры, будет казаться, что объект или материя будут двигаться к горизонту событий черной дыры бесконечно долго».

Ньяеш Афшорди

Астрофизик кафедры физики и астрономии Университета Ватерлоо, а также заведующий кафедрой космологии и гравитации в Институте теоретической физики «Периметр» в Канаде

«Я считаю, что скорость «тьмы» бесконечна! В классической физике под общим понятием тьмы космоса может рассматриваться просто пустой вакуум. Однако благодаря квантовой механике мы знаем, что на самом деле никакой тьмы и пустого космоса не существует. Даже если вам кажется, что здесь нет источников света, которые мы могли бы увидеть, этим источником могут быть флуктуации электромагнитных полей. Даже внутри гравитационных волн, разрезающих пространство-время и обнаруженных лабораторией ЛИГО совсем недавно, должны присутствовать эти квантовые флуктуации.

Проблема заключается в том, что уровень гравитации в этой квантовой ряби – бесконечен. Другими словами, в настоящий момент не существует довольно убедительной теории квантовой гравитации, с которой могло бы согласиться большинство ученых. Нужный ответ на вопрос может скрываться в самой возможности скорости «тьмы», то есть квантовой ряби достигать бесконечного значения (или становиться сколь угодно большим), особенно в малых масштабах и на короткий промежуток времени. Разумеется, это лишь предположение, однако мне кажется, что именно в этом заключается эффективный способ понимания принципа и сути Большого взрыва, черных дыр, темной энергии и квантовой гравитации».