Всички пътуваме през пространство-времето със скоростта на светлината. Аз, вие, котката (дори котката на Шрьодингер), Земята, Слънцето, битове и байтове и всякакви частици, включително фотоните.

Става дума за пространство-времето обаче. Разбира се, ние пътуваме с различна скорост през космоса, дори може да стоим неподвижно в нашата координатна система. Тази координатна система се движи относително спрямо други координатни системи, например може да седите неподвижно, докато четете това, но сте на Земята (повечето хора сме тук, на Земята), която се върти с 1600 км/ч при екватора, и Земята също се движи около Слънцето (със 107 000 км/ч), а Слънцето се движи около центъра на Млечния път (828 000 км/ч). Млечният път също се движи спрямо на всяка друга галактика със скорост 600 км/сек или 2 160 000 км/ч.

Но нищо от гореспоменатото, с изключение на фотоните, не се движи със скоростта на светлината (която е 300 000 км/сек или 1 808 000 000 км/ч за сравнение). Нашето движение през пространство-времето, от друга страна, е различно.

Всички пътуваме със скоростта на светлината през пространство-времето.

Пространство-времето

Пространство-времето е 4-измерна концепция, трите пространствени измерения, наричани още пространство, и едно времево измерение. Нашата скорост е разпределена между четирите компонента и тъй като скоростта има посока, тя е 4-мерен вектор U = γ(c, v_x, v_y, v_z), където γ е коефициентът на Лоренц. 

За уравненията няма значение как ще разпределим движенията си в 3-те пространствени измерения x, y и z, ние се грижим само за скоростта, а не за скоростта с определена посока, затова казваме, че движението е разпределено в два компонента, пространство и време.

Когато например не се движим през пространството (в нашата координатна система), тогава ние се движим във времето с максимална скорост. Когато фотонът се движи с максимална скорост, c, той изобщо не се движи във времето. За фотона няма времева компонента.

Можем да нарисуваме координатната система по този начин, с пространство върху оста x и време t, върху оста y.

Нашата обща скорост през пространство-времето е постоянна и се състои както от движение през пространството, така и през времето. Когато се движите по-бързо през пространството, вашата времева компонента ще бъде по-малка в сравнение с някой, който стои неподвижен. Кредит: Wikipedia Commons.

Движението през пространство-времето е показано в координатната система като вектор (стрелката) от началото (0,0) до пунктираната дъга.

Някой или нещо, което стои неподвижно в своята кооординатна система, ще пътува само по оста y (време), без да използва никоя част от пространствения компонент. Някой, който пътува по-бързо, ще има компонент на оста x (пространство) и компонент на оста y (време), но компонентът време ще бъде по-малък от този, който стои неподвижен в пространството.

Колкото по-бързо се придвижваме в пространството, толкова по-малък ще бъде нашият времеви компонент. Това се нарича ефект на забавяне  на времето в теорията на относителността, а компонентът на времето по оста y се нарича собственно време. Това е времето, измерено от часовник в движещата се кооординатна система.

Светлината

Най-бързите обекти в космоса са безмасовите фотони (електромагнитната сила и това, което виждаме като светлина) и глюони (носители на на силното взаимодействие и ядрена сила). Тези частици използват само пространствения компонент и за тях собственното им време е нула.

Това означава, че фотонът не усеща времето. Фотоните, които измерваме от Големия взрив, се улавят от нашите детектори са същите (от тяхна гледна точка), които са възникнали, въпреки че за нас това е било преди 13,8 милиарда години.

За един фотон началото и краят на Вселената и всичко между тях се случва в един и същ момент от времето.

Когато фотоните се движат в пространството с максималната скорост на светлината, без част от компонента на времето, те също ще изпитат ефекта на скъсяване на дължината максимално. Цялото разстояние, през което преминават, ще бъде свито до една точка.

По този начин, ако пътувате само през пространството в пространство-времето, скоростта ви ще бъде максимална в пространството, няма да имате усещане за времето и разстоянието ще бъде сингулярност. Ускорението на маса с такава скорост ще изисква безкрайно количество енергия, поради което само безмасовите частици могат да пътуват с тази скорост през пространството.

Ако пътувате само във времето, вашето собствено време (времето, измерено на часовника ви) ще бъде максимизирано. Това е и най-мързеливият начин - не се изисква енергия.

Мързелива котка, пътуваща със скоростта на светлината през пространство-време с максимален компонент във времето и без компонент през пространството в собствената си координатна система. Кредит: Erik-Jan Leusink/Unsplash

Диаграма на Минковски в пространството и времето
Една по-добра координатна система би използвала c.t на оста на времето, вместо само t, тъй като единиците тогава са сравними: c.t е скоростта на светлината по времето, така че дименсията е метри в секунда по секунди, което ни дава единица метри, и тогава остават само  пространствени координати.

Този вид координатна система се нарича диаграма на Минковски.

Диаграмата на Минковски за пространство-времето, показваща движението през пространство-времето на обект, който стои неподвижно (синьо) и светлина (жълто). Кредит: Wikipedia commons.

Сега човек, стоящ неподвижно в своята координатна система, се е преместил на разстояние c.t по оста y. Тъй като е прекарал време t в изминаването на това разстояние, той се движи със скорост c през пространство-времето. (Скоростта е разстоянието, разделено на времето: c.t/t=c).

Той, разбира се, не пътува през пространството със скоростта на светлината, което би изисквало движение по оста x. Скоростта в комбинацията от пространство и време е c за човека, който стои неподвижно.

Светлината би била диагонална линия през пространствено-времевата координата, движеща се със скорост c.

Нашето движение през пространство-времето може да бъде представено в диаграмата на Минковски като наша световна линия. Диаграмата може да бъде изчертана и с две пространствени измерения в 3D-диаграма, както се вижда по-долу (за съжаление не можем да изчертаем 4D диаграма с трите пространствени оси). Тогава световната линия на светлината ще се превърне в светлинен конус. Всичко от другата страна на светлинния конус е недостъпно за нас, тъй като ще изисква информация, пътуваща по-бързо от светлината през пространство-времето.

Вие (в червено) се движите във времето, а понякога и в пространството. Световната линия на светлината (или светлинният конус, ако нарисуваме диаграмата на Минковски с две пространствени оси на една и съща ос), е границата на това, което може да изпитате.

Като цяло всички се движим с общата скорост на светлината, c, през пространството-времето, като скоростта се разпределя между пространството и времето. Не можем да се движим по-бързо от светлината през пространството. И нито можем да пътуваме по-бързо, нито по-бавно от светлината през пространство-времето. Това е постоянната скорост на всичко в тъканта на пространство-времето.

Луис Карол Епщайн (Lewis Carroll Epstein), автор на няколко научно-популярни бестселъра, обяснява:

„Не можете да вървите по-бързо от светлинната скорост, защото не можете да вървите по-бавно от светлинната скорост. Винаги се движите със скоростта на светлината през пространство-времето. Ако използвате част от скоростта си, за да преминете през пространството, ще имате по-малка скорост във времето".

Авторът Ленка Отап (Lenka Otap) е компютърен учен, изучаваща астрофизика в Университета в Копенхаген.

Източник: We All Travel Through Spacetime at the Speed of Light, Medium