Что происходит при движении со скоростью, близкой к световой? Часть 4: Горячий взгляд

Это четвертая часть серии о том, что значит путешествовать со скоростью, близкой к световой. Прочитайте первую, вторую и третью части сначала.

Задайте себе вопрос: сколько частиц окружает вас прямо сейчас? Вероятно, их много. Но это количество можно подсчитать. Если постараться, можно выяснить точное число. Да, я понимаю, что существуют квантовые поля, которые колеблются и излучают огромное количество энергии (возможно, бесконечное, но это тема для другого разговора). Квантовые поля заполняют всё пространство и время, и один из способов представить себе энергию в них — это вообразить, как частицы появляются и исчезают, заимствуя немного энергии из ничего на короткий момент, а затем тихо возвращая её обратно, прежде чем кто-либо это заметит.

Если вы следили за этой серией достаточно долго, то знаете, что мне не очень нравится термин "виртуальные частицы" ни как название, ни как концепция. Мне кажется более естественным думать о квантовых полях как о просто колеблющихся, и считать только те колебания, которые остаются как частицы. Тем не менее, попытка подсчитать частицы вокруг вас остаётся вполне разумной задачей.

Несмотря на моё недовольство виртуальными частицами, они помогают представить, что происходит дальше.

Итак, мы находимся в нашем космическом корабле. Мы знаем, что не можем достичь скорости света, так как в этом нет никакой системы отсчета, но мы можем приблизиться к ней, и это само по себе довольно интересно. Мы движемся с постоянной скоростью. Вселенная сжата в маленький диск перед нами и сдвинута в синюю область спектра. Это неудобно, но терпимо. Затем мы начинаем ускоряться, и в этот момент мы открываем горизонт Риндлера.

Этот горизонт выполняет свою функцию: он изолирует некоторые области вселенной от причинной связи, не позволяя их сигналам когда-либо достигнуть нас. И он делает ещё одну вещь. Он разрезает эти виртуальные частицы. Или, если вам удобнее, он изменяет, какие колебания квантовые поля могут иметь внутри вашего пузыря.

Помните радиацию Хокинга? Виртуальные частицы появляются в паре, состоящей из материи и антиматерии (это единственный способ сохранить баланс, ведь хотя вы можете заимствовать энергию из вакуума, вы не можете просто вызвать заряд из ничего; оказывается, вселенная больше заботится о заряде, чем о массе и энергии). В открытом пространстве пара встречается и аннигилирует в чистую энергию. Но если пара появляется на горизонте событий черной дыры, одна из частиц оказывается захваченной внутри, в то время как другая уходит. Для наблюдателей, находящихся в безопасности, это проявляется как слабое свечение, исходящее от черной дыры. Радиоактивность Хокинга.

Это был горизонт событий черной дыры. Теперь мы находимся на горизонте Риндлера ускоряющегося наблюдателя, и ситуация такова же. Пара появляется, пересекающая горизонт. Одна уходит в вселенную, с которой она не может сигнализировать, а другая остаётся в вашем пузыре. Они никогда не встречаются. Они никогда не аннигилируют. Они никогда не возвращаются в энергию. Они просто здесь. Они реальны, и вам нужно с ними иметь дело.

(Если эта картина заставляет вас волноваться о судьбе убегающего партнера, именно поэтому я предпочитаю версию с колеблющимися полями, где мы просто говорим, что горизонт Риндлера изменяет, какие колебания полей допустимы внутри пузыря, некоторые из этих колебаний сохраняются, а сохраняющиеся колебания — это то, что мы называем частицами, и мы продолжаем жить своей жизнью.)

Как бы вы это ни объясняли, математика однозначна: ускоряющийся наблюдатель обнаруживает, что его пузырь заполнен потоком частиц и радиации. Это называется радиацией Унруха, в честь Уильяма Унруха, бывшего студента Джона Уилера (вместе с такими как Ричард Фейнман и Кип Торн), который изучал радиацию Хокинга и понял, что это не конец истории.

И, честно говоря, это даже страннее, чем версия Хокинга. Никакой черной дыры. Никакой кривизны. Никакого экзотического запутывания пространства-времени. Просто ракета, ускоряющаяся в пустом пространстве, и бум — квантовый эффект поля из ниоткуда.

Таким образом, ответ на, казалось бы, простой вопрос о том, сколько частиц вокруг вас, зависит от вашего ускорения. Чем больше ускорение, тем больше частиц. Вы изменяете то, что выглядит как фундаментальное свойство реальности, что должно иметь один чистый ответ, превращая это в нечто, зависящее от вашего движения. Не только от вашего взгляда на вселенную или от того, какие сигналы могут до вас дойти, но и от самой материи, находящейся под вашим носом.

Чем сильнее вы ускоряетесь, тем больше создается ощущение, что вакуум пространства-времени САМО ПО СЕБЕ ОЖИВАЕТ и начинает воздействовать на вас.

Это как ветер. Если воздух совершенно неподвижен, то это только вы и молекулы воздуха, занимающиеся своими делами. Начните двигаться, и молекулы начинают давить на вас. Вы ощущаете ветер. Ничего в воздухе не изменилось. Ничего в вашем теле не изменилось. Изменилось только ваше движение через воздух, и это само по себе породило нечто совершенно новое. Радиоактивность Унруха — это квантовый ветер пространства-времени, и вы чувствуете его только тогда, когда ускоряетесь.

Вот что сделала с нами относительность. Она забрала одновременность: никто не может согласовать, когда "сейчас". Хорошо. Она забрала продолжительность: движущиеся часы идут медленнее. Хорошо. Она забрала длину: движущиеся линейки сжимаются. Хорошо. Мы отдали "когда", "как долго" и "насколько далеко". Мы думали, что, по крайней мере, можем удержать "что на самом деле существует". Мы могли бы спорить о том, что показывает часы на стене, но, конечно, мы можем согласиться, что часы на стене вообще существуют.

Больше не так.