Почему скорость света такая, какая она есть?

Первым, кто понял, что свет действительно имеет скорость, был астроном по имени Оле Ромер. В конце 1600-х годов он был одержим странными движениями луны Ио вокруг Юпитера. Время от времени большая планета закрывала нам обзор своей маленькой луны, вызывая затмение, но время между затмениями менялось в течение года. Либо с орбитой Ио происходило что-то странное, что казалось подозрительным, либо происходило что-то еще.

Подвергая испытанию свет

После нескольких лет наблюдений Ромер установил связь. Когда мы видим, что Ио затмевается, мы находимся в определенном положении на нашей собственной орбите вокруг Солнца. Но в следующий раз, когда мы видим затмение, через несколько дней, мы оказываемся в несколько ином положении, ближе или дальше от Юпитера, чем в прошлый раз. Если мы находимся дальше, чем в прошлый раз, когда мы видели затмение, то это означает, что нам нужно подождать немного больше времени, чтобы увидеть следующее, потому что свету требуется гораздо больше времени, чтобы достичь нас, и наоборот, если мы окажемся немного ближе к Юпитеру. Единственный способ объяснить вариации во времени затмений Ио — свет имеет конечную скорость.

Непрерывные измерения в течение следующих нескольких столетий укрепили измерение скорости света, но это было только в середине 1800-х годов. Именно тогда физик Джеймс Клерк Максвелл случайно изобрел свет. Максвелл забавлялся с малоизученными тогда явлениями электричества и магнетизма, когда обнаружил единую картину, которая могла объяснить все разрозненные наблюдения. Заложив основу того, что мы теперь знаем как электромагнитную силу, в уравнениях он обнаружил, что изменение электрических полей может создавать магнитные поля, и наоборот. Это позволяет волнам электричества создавать волны магнетизма, которые продолжают создавать волны электричества и обратно, и вперед, и назад, и вперед, перепрыгивая друг через друга, способные путешествовать в пространстве. И когда он начал вычислять скорость этих так называемых электромагнитных волн, Максвелл получил то же самое число, которое ученые получали, когда измеряли скорость света на протяжении веков. Следовательно, свет состоит из электромагнитных волн и движется с такой скоростью, потому что именно так волны электричества и магнетизма распространяются в пространстве. И все это между временем и пространством- единая ткань, известная как пространство-время. Но, как мы все знаем, пространство сильно отличается от времени. Метр -это совсем не то, что секунда или год. Они кажутся двумя совершенно разными вещами.

Нужен был какой-то клей, какая-то связь, которая позволяла бы нам переводить движение в пространстве и движение во времени. Другими словами, нам нужно знать, сколько один метр пространства стоит во времени. Каков обменный курс? Эйнштейн обнаружил, что существует единственная постоянная, определенная скорость, которая может сказать нам, сколько пространства эквивалентно тому, сколько времени, и наоборот. Теории Эйнштейна не говорили, что это за число, но затем он применил специальную теорию относительности к старым уравнениям Максвелла и обнаружил, что этот коэффициент преобразования в точности равен скорости света. Конечно, этот коэффициент преобразования, эта фундаментальная константа, которая объединяет пространство и время, не знает, что такое электромагнитная волна, и даже не заботится об этом. Это просто какое-то число, но оказывается, что Максвелл уже вычислил это число и обнаружил его, даже не зная об этом. Это потому, что все безмассовые частицы способны двигаться с такой скоростью, а поскольку свет безмассовый, он может двигаться с такой скоростью. Таким образом, скорость света стала важным краеугольным камнем современной физики. Но все же, почему именно это число с таким значением, а не какое-то другое случайное число? Почему природа выбрала именно его, а не кого-то другого? Что происходит? Ну, число не имеет особого значения. В конце концов, у него есть единицы измерения: метры в секунду. Например, чтобы выразить скорость света в метрах в секунду, сначала вам нужно решить, что такое метр и что такое секунда. Таким образом, определение скорости света связано с определениями длины и времени.

В физике нас больше интересуют константы, которые не имеют единиц измерения — другими словами, константы, которые появляются в наших физических теориях, которые являются просто простыми числами. Они кажутся гораздо более фундаментальными, потому что не зависят ни от какого определения. Иначе говоря, если бы мы встретились с какой-нибудь инопланетной цивилизацией, то не смогли бы понять, как они измеряют скорость света, но когда речь заходит о безразмерных константах, мы все можем согласиться. Это просто цифры. Одно из таких чисел известно как постоянная тонкой структуры, которая представляет собой комбинацию скорости света, постоянной Планка и чего-то, известного как диэлектрическая проницаемость. Его значение составляет приблизительно 0,007. Как я уже сказал, это просто число. Таким образом скорость света может быть такой, какой она хочет быть, потому что если бы вы изменили скорость света, вы изменили бы константу тонкой структуры. Но наша Вселенная выбрала константу тонкой структуры, равную приблизительно 0,007, и ничего больше. Это просто Вселенная, в которой мы живем, и у нас нет никакого выбора. А поскольку это фиксированное и универсальное явление, скорость света должна быть именно такой, какая она есть. Так почему же тонкая структура постоянна именно тем числом, которым она является, а не чем-то другим? Мы не знаем.