Dlaczego prędkość światła (w próżni) jest taka, jaka jest?

Tekst dostępny także pod adresem http://bartlomiejkozlowski.pl/light.htm, dalej link do wersji PDF

Prędkość światła (1) w próżni wynosi (wiedziałem oczywiście, mniej więcej ile, ale sprawdziłem to jednak dokładnie w Internecie) 299 792 458 metrów na sekundę. Jest to, jak zapewne wiemy, największa możliwa prędkość we Wszechświecie. Pomijając będące czysto hipotetyczną koncepcją tachiony, które według dotyczącej ich teorii (która nie ma żadnych – przynajmniej jak dotychczas – podstaw obserwacyjnych) mogą poruszać się wyłącznie szybciej od światła, nic, co istnieje we Wszechświecie nie może poruszać się równie szybko, a już tym bardziej szybciej, niż światło. Nie może w każdym razie tego zrobić cokolwiek, co posiada minimalną choćby masę (której światło nie ma) – choć trzeba powiedzieć, że pewne obiekty obdarzone masą, takie jak niektóre cząstki promieniowania kosmicznego (a więc głównie protony), poruszają się z prędkością prawie równą prędkości światła. Pamiętajmy jednak, że „prawie” czyni wielką różnicę.

Dlaczego jednak prędkość światła w próżni ma taką właśnie wartość, jak wspomniana powyżej? W kupionej przeze mnie kilka lat temu książce Jorga Chama i Daniela Whitesona „Nie mamy pojęcia – przewodnik po nieznanym Wszechświecie” (2) przeczytałem, że jakkolwiek prędkość światła jest doskonale znana, to o tym, dlaczego jest ona akurat taka, jaka jest, nawet najmądrzejsi naukowcy… no właśnie... nie mają pojęcia. Zielonego. Podobnie zresztą, jak nie mają oni pojęcia o tym, dlaczego właśnie takie, a nie inne są rozmaite – doskonale przecież przez nich znane – podstawowe wielkości fizyczne.

Czy jednak prędkości światła rzeczywiście nie można wytłumaczyć? Otóż, sądzę, że można. Oczywiście, wytłumaczenie prędkości światła opiera się na założeniu o tym, że prawdziwe są pewne koncepcje na temat rzeczywistości, o których nikt tak naprawdę nie może być całkiem pewien, że są one prawdziwe, z tego prostego względu, że rzeczy tak małych, jak te, o które w nich chodzi, nie da się – i zapewne nawet nigdy nie będzie się dało – badać w sposób eksperymentalny i empiryczny. Zakładając jednak, że teorie, które mam na myśli są zgodne z fizyczną rzeczywistością, prędkość światła w próżni można całkiem logicznie wyjaśnić.

O co więc idzie? Otóż fizycy (a w każdym razie, ci, którzy zajmują się sprawami fizyki kwantowej, lub przynajmniej część z nich) uważają, że istnieje pewien fizycznie najmniejszy wycinek przestrzeni – tak mały, że nic mniejszego od niego w ogóle nie może istnieć. Chodzi tu o tzw. długość Plancka (nazwa od nazwiska niemieckiego fizyka Maxa Plancka), która według informacji przedstawionej w Wikipedii wynosi 1,61623 × 10^-35 metra. Podobnie, jak istnieje pewna najmniejsza w ogóle możliwa długość (choć przecież czysto teoretycznie rzecz biorąc mogłaby istnieć jeszcze mniejsza), istnieje też pewien najkrótszy w ogóle możliwy czas. Jest to tzw. czas Plancka, który według Wikipedii wynosi 5,39116 × 10^-44 sekundy. (3) Czas Plancka to czas, w jakim będący najszybszą rzeczą we Wszechświecie foton poruszający się w próżni pokonuje odległość równą długości Plancka (zauważmy przy okazji, że z teorii mówiących o tym, że we Wszechświecie istnieją jakieś rozmiary przestrzeni oraz czasu, od których absolutnie nic, włącznie z kompletną pustką, nie może być mniejsze, wynika, że przestrzeń oraz czas są skwantowane – nie są ciągłe, lecz składają się z pewnych nie dających się już w żaden sposób zredukować czy podzielić „komórek” bądź odcinków).

I to właśnie wspomniane powyżej wielkości – długość Plancka i czas Plancka – wyznaczają prędkość światła w próżni. (4) Dlaczego światło nie jest szybsze, niż jest? To proste: dlatego, że foton – kwant światła – nie może pokonać długości Plancka, rozmiaru kwantu przestrzeni, w czasie krótszym od czasu Plancka, czyli kwantu czasu. Bo takie rzeczy, jak jakaś jeszcze mniejsza odległość i jakiś jeszcze krótszy czas nie są w ogóle możliwe.

A dlaczego światło (w próżni) nie jest jednak wolniejsze? Otóż dlatego, że prędkości nie mających masy fotonów nie ogranicza nic, poza niemożliwością pokonania przez nie najkrótszej możliwej odległości – tj. długości Plancka - w czasie krótszym od najkrótszego z możliwych, tj. w jakimś czysto hipotetycznym (fizycznie niemożliwym) czasie krótszym od czasu Plancka.

Zauważmy, jak jedna z największych rzeczy we Wszechświecie (choć są też inne, z którymi na szczęście nie mamy w praktyce do czynienia – weźmy tu np. tzw. temperaturę Plancka, która według Wikipedii wynosi 1,41681 × 1032 stopni… mniejsza już raczej o to, czy Celsjusza, czy Kelwina) (4) jest zdeterminowana przez rzeczy najmniejsze. Takie, w każdym razie, na mój rozum jest najbardziej logiczne wyjaśnienie prędkości światła w próżni.

Przypisy:

1. Pod pojęciem „światła” należy oczywiście rozumieć nie tylko światło widzialne, ale także inne rodzaje promieniowania elektromagnetycznego – takie, jak fale radiowe, promieniowanie podczerwone, promieniowanie ultrafioletowe, promieniowanie rentgenowskie i promieniowanie gamma.

2. Świetna książka, jedna z najlepszych, jakie w życiu czytałem. O ile nie najlepsza.

3. W kosmologii mówi się o czymś takim, jak tzw. Era Plancka. Jest to czas na samym początku Wielkiego Wybuchu, od t = 0 do t = 10-43 sekundy (a więc, zauważmy, że cokolwiek dłuższy od wspomnianego tu wcześniej czasu Plancka), w którym, jak można przeczytać w Wikipedii „Stan Wszechświata (…) nie może być opisany za pomocą równań klasycznej ogólnej teorii względności, gdyż efekty kwantowe odgrywają wówczas zasadniczą rolę i do poprawnego opisu potrzebna jest teoria grawitacji kwantowej, której obecnie nie ma, choć do jej miana aspiruje kilka teorii, np. pętlowa grawitacja kwantowa, M-teoria, teoria strun”.

4. Trzeba wyraźnie powiedzieć, że prędkość światła w innych ośrodkach – takich, choćby jak powietrze, szkło, czy też woda jest mniejsza, niż prędkość światła w próżni. W książce Chama i Whitesona jest mowa o tym, że mając masę cząstki elementarne, jakimi są tzw. miony, mogą poruszać się w lodzie szybciej, niż porusza się w nim światło. Nie osiągają one jednak w żadnym przypadku prędkości światła w próżni.

5. Czytałem swego czasu, że aby zmierzyć (co z oczywistych powodów byłoby rzeczą niemożliwą – termometr przecież by wyparował i zamienił się w plazmę złożoną z cząstek elementarnych) temperaturę Plancka za pomocą termometru zaokiennego, to termometr ten musiałby mieć długość większą od średnicy obserwowalnego Wszechświata (ok. 93 miliardy lat światlnych). Jakieś – dodajmy – 2000 razy. Temperatura Plancka zapewne panowała we wspomnianej w przypisie 3 tzw. Erze Plancka, lub przynajmniej w części tej „ery”.