Безтурботно ковзаючи крізь повну порожнечу простору, світло охоплює постійні 299 792 458 метрів щосекунди. Ні більше, ні менше. Усе це змінюється, коли ця хвиля електромагнетизму змушена долати електромагнітні поля, що оточують частинки матерії. Проходячи через цю трясовину, загальна швидкість світла може сповільнитися до відносного повзання.
Ми бачимо це явище у викривленні світла, коли воно проходить через склянку води, або навіть у сліпучому розділенні хвиль у веселці. Хоча фізики можуть описати цю затримку, використовуючи рівняння 19-го століття щодо світла та електромагнетизму, їм ще належить адекватно вловити різку зміну швидкості світла між різними середовищами у мірах фізичних хвиль.
Трійця фізиків з Університету Тампере придумали потенційне рішення цієї проблеми, але не раніше, ніж переглянувши деякі досить фундаментальні принципи просування світлової хвилі в часі та окремому вимірі простору.
«По суті, я знайшов дуже гарний спосіб отримати стандартне хвильове рівняння у вимірах 1+1», — каже перший автор дослідження Матіас Койвурова, який зараз працює в Університеті Східної Фінляндії.
«Єдине припущення, яке мені було потрібно, це те, що швидкість хвилі постійна. Тоді я подумав про себе: а що, якщо вона не завжди постійна? Це виявилося справді хорошим запитанням».
Швидкість світла – або c, якщо використовувати її скорочено – є універсальною межею для інформації, що рухається через вакуум. Хоча матерія може ефективно сповільнити загальну подорож частинки, спеціальна теорія відносності говорить, що ця фундаментальна властивість не може справді змінитися.
Проте інколи фізика вимагає час від часу польоту фантазії, щоб досліджувати нові території. Тому Койвурова разом зі своїми колегами Чарльзом Робсоном і Марко Орніготті відклали цю незручну правду, щоб розглянути наслідки стандартного хвильового рівняння, де довільна світлова хвиля може прискорюватися.
Спочатку їх рішення не мало сенсу. Лише коли вони знову додали постійну швидкість як систему відліку, частини з’єдналися. Відправте космічний корабель у глибини космосу на швидкості, і його пасажири відчують час і відстань інакше, ніж спостерігачі, які спостерігають за їхньою подорожжю здалеку. Цей контраст з’являється завдяки теорії відносності, яку успішно перевіряли знову і знову в усіх масштабах .
Порівнявши прискорюючу хвилю з постійною швидкістю світла, дивні ефекти нового рішення команди стандартного хвильового рівняння виглядали так само, як ті, що нав’язані теорією відносності. Їх реалізація мала глибокі наслідки для дискусії про те, чи імпульс світлової хвилі збільшується чи зменшується, коли вона перетинає нове середовище.
«Ми показали, що з точки зору хвилі нічого не відбувається з її імпульсом. Іншими словами, імпульс хвилі зберігається», — каже Койвурова.
Незалежно від того, що це за хвиля, чи то в електромагнітному полі, чи хвиля на ставку, чи вібрація вниз по струні, міри відносності та збереження імпульсу потрібно враховувати в рівнянні, коли вони набирають швидкість. Це узагальнення мало мати ще один досить примітний, хоча й трохи розчаровуючий наслідок.
Незалежно від того, чи то наші безстрашні космічні мандрівники, що летять до Альфи Центавра з часткою швидкості світла, чи то їх родина, яка повільно старіє на Землі, кожен з їхніх відповідних годинників цокає в тому, що вважається правильним часом. Ці два часи можуть не збігатися щодо тривалості секунди, але кожен з них є надійною мірою проходження років у власних рамках.
Фізики стверджують, що якщо всі хвилі також відчувають належний часовий догляд відносності, будь-яка фізика, керована хвилями, повинна мати суворий часовий напрямок. Такий, який не можна просто скасувати для будь-якої однієї частини.
Поки що рівняння були розв’язані лише для одного виміру простору (і часу). Необхідно також провести експерименти, щоб побачити, чи вірна ця перспектива хвиль. Якщо так, то наша спільна подорож Всесвітом справді є вулицею з одностороннім рухом.