Jak to możliwe, że światło nie traci energii podczas podróży przez miliardy kilometrów w kosmosie?
Pewnego wieczoru, teleskop ustawiony na podmiejskim podwórku w San Diego uchwycił niezwykły obraz – galaktykę spiralną Pinwheel, oddaloną od Ziemi o 25 milionów lat świetlnych. Światło, które zarejestrowała kamera, podróżowało przez 25 milionów lat, przemierzając niemal 150 kwintylionów kilometrów, zanim trafiło w soczewkę urządzenia. Z pozoru wydaje się niemożliwe, by coś – choćby światło – mogło przemierzyć taką drogę bez żadnego uszczerbku na energii.
Czy światło naprawdę nigdy się nie męczy? Czy nie traci energii w trakcie tej olbrzymiej, kosmicznej podróży?
Światło – fala bez masy
Światło to forma promieniowania elektromagnetycznego. Jest jednocześnie falą elektryczną i magnetyczną, poruszającą się w próżni z maksymalną możliwą prędkością – 300 000 kilometrów na sekundę. Cząstki światła, czyli fotony, są pozbawione masy. To właśnie ten brak masy pozwala im osiągać prędkość światła – prędkość, której nic z masą nie może przekroczyć.
Fotony mogą poruszać się z tą prędkością teoretycznie w nieskończoność, o ile nie napotkają przeszkody. A ponieważ kosmos to głównie pustka, takie zderzenia należą do rzadkości.
Czy światło traci energię w przestrzeni kosmicznej?
Tak, ale tylko w specyficznych przypadkach. Fotony mogą tracić energię, gdy ulegają rozproszeniu, np. odbijając się od cząsteczek pyłu międzygwiezdnego. Wówczas ich trajektoria się zmienia, a część energii zostaje utracona.
Ale jeśli światło porusza się bez przeszkód – co zdarza się niemal zawsze – nie traci energii. Nie zwalnia, nie słabnie, nie zanika. Może dotrzeć z krańców Wszechświata aż do naszych teleskopów, niesione przez próżnię z tą samą prędkością i tą samą energią, z jaką zostało wyemitowane.
Czas i przestrzeń z perspektywy światła
Tu zaczyna się prawdziwa magia fizyki – teoria względności Einsteina. Dla nas, obserwujących z Ziemi, światło z galaktyki Pinwheel leciało przez 25 milionów lat. Ale dla samego fotonu… ta podróż trwała dokładnie zero sekund.
Dlaczego? Ponieważ z punktu widzenia fotonu czas się zatrzymuje. To zjawisko nazywa się dylatacją czasu – efekt relatywistyczny, który sprawia, że im szybciej coś się porusza, tym wolniej płynie dla niego czas. A dla cząstki poruszającej się z prędkością światła, czas po prostu przestaje istnieć.
Z kolei przestrzeń, z perspektywy fotonu, ulega skomprymowaniu. Odległość między punktem A (źródłem światła) a punktem B (naszym teleskopem) wydaje się nieskończenie mała. Innymi słowy – foton w ogóle nie zauważa, że gdziekolwiek podróżuje.
Jak rozumiemy światło dziś
Światło nie jest zwykłą falą ani tylko cząstką – to dualizm falowo-korpuskularny, coś pomiędzy. Ale dla naszych oczu i teleskopów, to nośnik informacji o odległych częściach kosmosu. Bez światła nie wiedzielibyśmy o istnieniu galaktyk, mgławic, czarnych dziur.
I właśnie dlatego tak niezwykłe jest, że światło może lecieć przez miliony lat i zachować swoją energię, swoją strukturę i swój przekaz. Dzięki niemu możemy dziś zobaczyć, co wydarzyło się w odległych zakątkach Wszechświata, zanim jeszcze powstała ludzkość.
Podsumowanie
Światło nie traci energii, ponieważ nie napotyka oporu w próżni kosmicznej i porusza się z prędkością, która zatrzymuje dla niego czas. Choć może się wydawać to nieintuicyjne, to właśnie dzięki temu możemy dzisiaj oglądać obrazy galaktyk, które powstały miliony lat temu.
A więc, gdy spojrzysz przez teleskop w ciemną noc i zobaczysz odległą galaktykę, wiedz, że patrzysz nie tylko w przestrzeń – patrzysz w przeszłość, dzięki światłu, które nigdy nie straciło siły.